深入理解 Linux 上的虚拟内存

虚拟内存可帮助操作系统在不中断的情况下执行其进程。虚拟内存是现代操作系统的基础之一，但通常情况下，除非遇到问题，否则您也可能不会真正考虑它。Linux 发行版要求您在安装期间设置虚拟内存空间（交换分区），但大多数初学者并不知道这有多大用处。

以下是您需要了解的有关 Linux 上的虚拟内存的所有信息。

什么是虚拟内存？

虚拟内存是从机器物理内存中提取出来的一种表示内存的方式。它利用了你的 RAM 和你的存储空间，无论是在传统的硬盘驱动器还是 SSD 上。

在 Linux 中，这是在内核和硬件级别完成的。CPU 有一个称为内存管理单元 (MMU) 的硬件，它将物理内存地址转换为虚拟内存地址。这些地址与它们在机器上的物理位置无关。这些地址空间被称为“页面”，它们可能位于 RAM 中，也可能位于您的硬盘驱动器或 SSD 中。操作系统将这些地址视为一个大内存池，称为“地址空间”。

虚拟内存利用了这样一个事实，即理论上并非所有正在使用的内存都一直在使用。内存中的程序被分解成页面，内核认为不必要的部分被“换出”或移动到硬盘驱动器。当需要它们时，可以将它们“换入”或带回 RAM。

驱动器上用于虚拟内存的空间称为“后备存储”或“交换空间”。在 Windows 世界中，它通常被实现为一个文件，称为“交换文件”。在 Linux 中也可以这样做，但使用专用磁盘分区更为常见。

Linux 上的交换文件通常保留给最小系统或嵌入式系统，后者通常在完全没有虚拟内存的情况下运行，因为嵌入式操作系统必须很小。

虚拟内存的结果是，可以通过使用比机器中的物理 RAM 更多的内存来运行大型程序，类似于信用卡可以让您以比银行账户中更多的钱进行大宗购买。就像信用卡一样，虚拟内存在您需要时很有用，但您不想过度使用它。

虚拟内存还允许开发人员创建应用程序，而不必知道计算机的内存是如何组织的。

历史上虚拟内存的主要缺点是硬盘驱动器比 RAM 慢。如果一台机器没有足够的 RAM，系统可以无休止地交换页面，这个过程被称为“抖动”。在具有更多 RAM 和更快 SSD 取代机械硬盘驱动器的现代 PC 上，这不是问题，但仍然需要注意。

Linux 交换分区

如前所述，在 Linux 上设置虚拟内存的常用方法是使用专用磁盘分区。安装实用程序将检查您的硬件并提出一个包含交换分区的分区方案。

您还可以在安装后添加交换分区。如果要向现有驱动器添加新分区，则必须使用 GParted 等非破坏性分区工具。确保您已选择“Linux swap”作为分区的文件系统。

在重新分区驱动器之前备份重要数据。

创建分区后，使用 mkswap 命令格式化分区：

sudo mkswap /dev/sdX

现在您必须以 root 身份编辑您的/etc/fstab以添加您的交换分区。添加到文件中的这一行将设置一个在引导时挂载的交换分区：

/dev/sdX none swap defaults 0 0

现在使用swapon命令激活新的交换空间，其中 sdX 是交换分区的名称：

sudo swapon /dev/sdX

在 Linux 上使用交换文件

使用命令行在Linux 中设置交换文件很容易。如果您不想费心重新分区驱动器，可能想要编辑/etc/fstab 。一种方法是使用fallocate：

例如，要创建一个 2GB 的交换文件：

sudo fallocate -l 2G /path/to/swapfile

作为替代方案，您可以使用 dd 命令创建交换文件：

sudo dd if=/dev/zero of=/path/to/swapfile bs=1024 count=2048

确保正确使用 dd 命令，因为输入文件和输出文件错误会导致数据丢失。出于这个原因， fallocate 是首选方法。

/dev/zero 设备是输出“0”的特殊设备。此 dd 命令所做的是使用适合用作交换空间的 1024 KB 块创建一个空白的 2 GB 块文件。

然后，您可以像使用交换分区一样对交换文件使用mkswap和swapon命令：

sudo mkswap /path/to/swapfile
sudo swapon /path/to/swapfile

您可能想知道何时应该为您的交换空间使用交换文件或专用分区。选择很简单：在大多数情况下，您应该使用分区。这是 Linux 桌面或服务器的最佳选择。安装程序建议的分区方案通常适用于单用户 Linux 桌面。

如果您在虚拟机、小型嵌入式系统上运行 Linux，或者您只是不想对现有 Linux 系统进行重新分区，则可能需要使用交换文件。

多少交换空间？

多年来，需要多少交换空间的标准建议是物理 RAM 的两倍。即使是最便宜的 PC 也配备大容量驱动器和大量内存，这条规则可能会受到质疑。

在许多系统上，如果您检查 top 或 htop，您甚至可能会注意到如果您以这种方式设置系统，您的交换空间甚至根本没有被使用。

尽管如此，如果您对内存提出更高的要求，两倍的物理内存是一个很好的起点和保险政策。您可以根据需要对系统进行更改。如果您的系统正在使用所有 RAM，则计算机在使用虚拟内存时可能会遇到性能问题。

如今，这已经不是什么大问题了，因为即使是最便宜的 PC 上的 RAM 量也绰绰有余，而且 SSD 的速度也比旧硬盘快得多。这仍然是您应该注意的事情。

解决此问题的最简单方法是向您的计算机添加更多 RAM。如果这不可行，您可以尝试调整 Linux 内核的“swappiness”。

swappiness 数字决定了内核在虚拟内存中的投入量。它的范围从 0 到 100。将其设置为 0 意味着 Linux 根本不会交换，而在 100 时，它会随时交换。大多数系统的默认值为 60。

要临时更改 swappiness，请使用 sysctl 命令：

sudo sysctl vm.swappiness=20

该命令中的“20”将是交换编号，直到您重新启动。要永久更改它，请以 root 身份编辑/etc/sysctl.conf文件并放置“vm.swappiness=[swappiness number]”行，其中“[swappiness number]”是您想要的 swappiness 编号。在您可以安装更多 RAM 之前，这将是一个权宜之计。

虚拟内存让您的 Linux 系统平稳运行

虚拟内存是现代操作系统（包括 Linux）的一个组件，可让您的计算机平稳运行。您可以使用交换文件，但通常的方法是专用分区。您不必考虑太多，但 Linux 交换分区和交换文件很容易设置和排除故障。

很多这样的建议也适用于其他系统，包括 Windows，即使设置虚拟内存的方法不同。