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OOM和swap分區

進程的虛擬記憶體空間是映射到整個物理記憶體空間的，所以在進程自身看來它擁有了整個物理記憶體，它也能使用整個物理記憶體，只需在使用的時候請求操作系統幫忙分配更多空間即可。

但是，操作系統上並非只運行了一個進程，如果一個進程無休止的申請物理記憶體空間，最終會導致物理記憶體耗盡或即將耗盡，使得操作系統無法創建新進程，因為創建新進程需要為它分配虛擬記憶體。

所以，操作系統必須得監視物理記憶體的使用情況，在出現物理記憶體耗盡或即將耗盡的時候，如果進程繼續請求分配記憶體，將報錯out-of-memory（OOM）表示記憶體不足，並且在出現OOM的時候，操作系統將觸發OOM Killer程式從進程列表中篩選出一個記憶體密集型進程殺掉，從而釋放大片記憶體。但顯然，這是不怎麼友好的方式，不少伺服器都專門或主要運行一個服務，如果這個服務進程正好申請了大量記憶體，它很可能會被OOM Killer殺掉，從而導致服務停止。

其實，早期記憶體一般都比較小，很容易就出現記憶體不足的問題，所以很早就提出了一個交換分區（swap partition）的概念。

swap分區是將磁碟當作記憶體使用，使得虛擬地址空間的範圍大小可以超出物理記憶體的實際大小，在物理記憶體空間不足時，可以將物理記憶體中的一些不重要數據拷貝到磁碟的swap分區中，從而讓出記憶體空間，並且在需要那些已被拷出數據時再從swap分區中拷回到記憶體，從而不再那麼容易發生OOM錯誤。

但是swap分區畢竟是在磁碟上，並且要在記憶體和磁碟之間傳遞數據，所以要訪問swap分區上的數據時速度會非常慢。在目前大記憶體都已足夠廉價的情況下，已經沒有多少必要使用swap分區。

雖然，現在swap分區對進程來說很少派上用場，但涉及到的一些技術和概念有必要簡單介紹下。

使用swap分區第二個要解決的問題是，如何讓虛擬地址空間的頁映射到磁碟swap分區的頁上。也就是，如何將虛擬頁翻譯成swap頁，並且在訪問時怎麼知道這不是記憶體的物理頁。

因為在物理記憶體的基礎上引入了swap分區，所以每個虛擬頁中都有一個存在位來表示該頁是否存在於記憶體中，如果該位的值為1，表示駐留在記憶體中，如果為0則表示在swap分區而非記憶體。其中，所有駐留在記憶體中的頁也稱為駐留集（Resident Set）。

當訪問一個虛擬頁的時候，如果發現不在記憶體中，這時候會產生缺頁異常（page fault），也稱為頁未命中（page miss），於是陷入操作系統，啟動頁錯誤處理程式，從swap分區中找到對應的頁（顯然，這裡需要將虛擬記憶體頁翻譯成swap分區頁的地址）並拷貝到記憶體中。從swap分區拷入頁的過程稱為換入頁（page in）。

這裡產生了一個新問題，既然已經使用了swap分區，說明此時物理記憶體已經處於緊張狀態，從swap中page in的頁如何放進記憶體中？其實，這裡也需要先進行page out，將該進程的一頁或多頁page out以便騰出記憶體。那麼哪些運氣不好的頁會被page out呢？這裡又出現了策略演算法，稱為頁替換策略演算法，用來決定哪些頁應該被page out，比如使用FIFO演算法換出那些先進入的頁，使用隨機演算法隨機選擇換出的頁，使用LRU演算法選擇最近最不常用的頁等等。

其實，除了page out換出頁騰出少量記憶體空間外，操作系統還設置了兩個關於空閑頁數量（顯然，這是物理頁）的水位線：高水位線（High Watermark，HW）和低水位線（Low Watermark，LW）。當操作系統發現空閑頁的數量少於低水位線的值時，就會自動啟動一個稱為swap daemon（也稱為page daemon）的後臺線程kswapd，該線程會掃描所有進程並從中選出一些候選進程，然後將這些進程的所有頁都拷貝到swap分區，直到空閑物理記憶體頁的數量達到高水位線的值。

提示：高水位線和低水位線

在電腦領域中，常會使用高水位線和低水位線來監視進程的一些可用性資源。當這類可用性資源的數量高於或臨近高水位線的值時，表明資源充足。當可用性資源的數量已經低於低水位線，說明資源緊張，應當採取一些措施恢復一些資源。

其中，換出進程所有頁到swap分區的過程稱為swap out，而從swap分區拷入進程所有頁的過程（比如再次調度到該進程）稱為swap in。將這兩個概念與page out和page in區分以下：

• page in和page out是拷入或拷出進程的一頁或某些頁
  
• swap in和swap out是拷入或拷出進程的所有頁

關於swap分區，能不用的話最好還是不用，因為當真正用到swap分區的時候，記憶體已經進入了緊張狀態，之後的絕大多數進程基本上都會涉及到swap分區，不斷地出現page fault而進行換頁，這會導致進程抖動（thrashing），使得整體效率低下，而且這個狀態是持續的，直到釋放足夠的記憶體空間。這時候還不如採取其它辦法釋放記憶體空間，例如殺掉某些無關進程、重啟記憶體密集型服務、重啟機器等。