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[other] 使用zSwap（内存压缩）技术提高系统性能

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流浪的加菲

deepin

2024-03-14 10:47

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概述

zSwap（内存压缩）是linux内核的一项功能，顾名思义，内存压缩就是压缩内存，节省内存空间。

就目前的技术而言，I/O的速度远远慢于RAM操作速度。因此，如果频繁地做I/O操作，不仅影响flash使用寿命，还严重影响系统性能。内存压缩是一种让I/O过程平滑过渡的做法, 即尽量减少由于内存紧张导致的I/O，提升性能。

内存管理框架（内存压缩技术处于内存回收memory reclaim部分中）：

zSwap简介

zSwap为交换页提供了一个压缩的回写缓存，作为一种虚拟内存压缩形式。当内存页要被换出时，zSwap不会把它们移到交换设备上，而是对它们进行压缩，然后把它们存储到系统RAM中动态分配的内存池中，回写到实际交换设备的动作则会延迟，甚至能完全避免，从而大大减少了需要交换的Linux系统的I/O，副作用则是压缩所需的额外CPU周期。

zSwap并不虚拟一个块设备，而是hook到普通的swap代码里，在实际发生写入到磁盘/从磁盘读取的操作前，先利用自己管理的内存进行数据的换出/换入，内存不够用以后再使用传统的swap分区，所以zSWAP适用于本身已经有交换分区的系统（zRam更适合Android这样本身不配置交换分区的嵌入式系统）。

zSwap发展背景

在3.11版本Linux内核实现了以下新功能：

加入了用于创建安全临时文件的标识位OTMPFILE；
实验性的Radeon显卞动态电源管理支持，需要传递radeon.dpm=1参数启用；
针对并行分布式文件系统Lustre的客户端支持；
初步支持NFS42和具备SELinmx标签的NFS分区；
改善了SYSVIPc消息队列扩展性；
允许应用程序请求低延迟网络Polling；
详细的页面写入历史追踪；
加可压缩交换分区缓存zSwap等；

开启 zSwap 的方法

# edit grub as root
$ sudo vim /etc/default/grub
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash zswap.enabled=1 zswap.compressor=zstd zswap.zpool=z3fold"

# update grub
$ sudo update-grub

# install zstd and Z3fold
$ sudo apt install checkinstall build-essential
$ sudo apt install zstd # not the latest version

# edit the modules file
$ sudo vim /etc/initramfs-tools/modules
...
zstd
zstd_compress
z3fold

# update initramfs
$ sudo update-initramfs -u -k all

# restart PC and verify ZSWAP if enabled
$ cat /sys/module/zswap/parameters/enabled
Y

# verify ZSWAP if its using zstd and z3fold
$ sudo dmesg | grep -i zswap:
[    1.059997] zswap: loaded using pool zstd/z3fold

zRAM原理解析

zRram即压缩的内存，使用内存模拟block device的做法。实际不会写到块设备中去，只会压缩后写到模拟的块设备中，其实也就是还是在RAM中，只是通过压缩了。由于压缩和解压缩的速度远比读写I/O好，因此在移动终端设备广泛被应用。

zRAM的实现是把自己虚拟成一个swap分区，本身存在一些缺陷或问题：

使用zRAM可能会在低内存场景由于频繁的内存压缩导致kswapd进程占CPU高；
当内存快填满的时候，zRAM本身会试图向内存返回数据，而系统会试图向zRAM中填充数据；
另外，增大了zRAM配置，对系统内存碎片是否有影响；

zSwap原理解析

zSwap是在memory与flash之间的一层缓存，当内存需要swap出去磁盘的时候，先通过压缩放到zSwap中去，zSwap空间按需增长。达到一定程度后则会按照LRU的顺序(前提是使用的内存分配方法需要支持LRU)将就最旧的page解压写入磁盘swap device，之后将当前的page压缩写入zSwap。

与zRAM相比，zSwap则是介入了内核的swap过程，将所有被系统swap出来的数据全部截留，存入自己的存储器中。这种实现方式有个好处，就是能和真正存在于硬盘上的swap分区联合使用，可以避免zRam的问题。

一方面，zSwap在面临内存不足时可以向swap分区写入数据，而不会试图向内存中返回数据。另一方面，如果有大段内存被空闲程序占据，zSwap可以把这些数据填入硬盘中，由于这些内存极少被使用，所以存入较慢的硬盘也不会影响运行速度。