Práce s pamětí RAM v Linuxu [Wiki]

Tato stránka je pouze pro čtení. Můžete si pouze prohlédnout zdrojový kód, ale ne ho měnit. Zeptejte se správce, pokud si myslíte, že něco není v pořádku.
====== Práce s pamětí RAM v Linuxu ======

Přestal jsem používat Swap na počítači, kde mám dostatek RAM paměti a chtěl jsem blíže porozumět tomu, jak Linux nakládá s pamětí a jejím uvolňování. Docela stručně a srozumitelně o tom popisuje stránka [[https://www.linuxatemyram.com/]].


Pokud si vyjedu výpis zaplnění paměti v (MB):

<code>
$ free -m
                total        used        free      shared  buff/cache   available
  Mem:           1504        1491          13           0         855      792
  Swap:          2047           6        2041
</code>

Tak z výpisu se nekoukám na sloupeček **free**, ale zajímá mě sloupeček **available**. Protože část paměti je sice obsazená, ale je stále považována jako k využití. Takže sloupeček **free** je z hlediska chápání volné RAM zavádějící.

Linux využívá nevyužitou RAM pro cacheování disku - řekněme do maxima fyzické RAM. Pokud ale aplikace potřebuje více RAM a není už žádná volná, tak systém začne uvolňovat část paměti pro cacheování disku. Pokud chci jednorázově bezpečně uvolnit RAM (která sloužila jako cache pro disk), tak to lze nedestruktivně udělat takto:

<code bash>
echo 3 | sudo tee /proc/sys/vm/drop_caches
</code>


===== Jak vytvořit a zapnout swap file na Raspberry Pi =====

Tento návod popisuje, jak vytvořit a zapnout swap file na Raspberry Pi.

1. Vytvoření swapového souboru:

Pro vytvoření swapového souboru o velikosti 1 GB použijte následující příkaz:

<code bash>
sudo fallocate -l 1G /swapfile
</code>
Poznámka: Velikost můžete upravit podle potřeby (např. pro 512 MB použijte 512M).

2. Nastavení správných oprávnění:

Nastavte oprávnění k souboru příkazem:
<code bash>
sudo chmod 600 /swapfile
</code>

3. Inicializace swapového souboru:
Inicializujte swapový soubor příkazem:

<code bash>
sudo mkswap /swapfile
</code>

4. Zapnutí swapového souboru:
Swapový soubor aktivujte příkazem:
<code bash>
sudo swapon /swapfile
sudo swapon --show
</code>

5. Automatické zapnutí při startu:
Pro zajištění automatického zapnutí swapového souboru při startu systému přidejte následující řádek do souboru /etc/fstab:

<code bash>
echo '/swapfile none swap sw 0 0' | sudo tee -a /etc/fstab
</code>

6. Ověření funkčnosti swapu:
Pomocí příkazu níže můžete ověřit, zda swap funguje:
<code bash>
free -h
</code>

Pokud budete potřebovat změnit velikost nebo konfiguraci swapového souboru, můžete jej odstranit, vytvořit nový s jinou velikostí a zopakovat uvedené kroky.


====== Omezení swapování na disk ======

Při správě Linuxového systému jsem se setkal s potřebou **omezit swapování na disk**, aby se minimalizovalo zpomalování systému při práci s pamětí. V tomto článku shrnu několik metod, které jsem použil k dosažení tohoto cíle.

==== Úprava `vm.swappiness` ====

Prvním krokem k omezení swapování bylo snížení hodnoty **`vm.swappiness`**, která určuje, jak agresivně jádro využívá swap. Výchozí hodnota bývá **60**, což znamená, že systém začne poměrně brzy swapovat na disk. Cílem bylo snížit tuto hodnotu na **10**, což udrží procesy v RAM co nejdéle.

Hodnotu jsem dočasně upravil příkazem:

<code bash>
sudo sysctl -w vm.swappiness=10
</code>

Pro trvalou změnu jsem upravil konfigurační soubor:

<code bash>
echo "vm.swappiness=10" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf
sudo sysctl -p
</code>

Tím jsem zajistil, že se nastavení zachová i po restartu.

----

==== Instalace a konfigurace `swapspace` ====

Místo pevně definovaného swapu o pevné velikosti jsem se rozhodl použít **swapspace**, což je dynamický swapovací mechanismus, který přidává a odebírá swapový prostor podle potřeby.

Instalace proběhla jednoduše:

<code bash>
sudo apt install swapspace
</code>

Následně jsem musel upravit **fstab**, aby se systém nesnažil používat původní swapovací soubor. Otevřel jsem `fstab`:

<code bash>
sudo nano /etc/fstab
</code>

A odstranil/překomentoval řádek obsahující `swap`. Poté jsem deaktivoval stávající swap:

<code bash>
sudo swapoff -a
sudo rm -f /swapfile
</code>

----

=== Konfigurace `swapspace` ===
Po odstranění pevně definovaného swapu jsem upravil konfigurační soubor **`/etc/swapspace.conf`**, aby swapspace lépe reagoval na změny dostupné paměti. Soubor jsem otevřel k editaci:

<code bash>
sudo nano /etc/swapspace.conf
</code>

A upravil jsem následující parametry:

<code ini>
lower_freelimit=15
upper_freelimit=20
freetarget=18
</code>

=== Vysvětlení parametrů: ===
  * **`lower_freelimit=15`** – Pokud volná paměť klesne pod 15 %, swapspace začne vytvářet nový swapovací prostor.
  * **`upper_freelimit=20`** – Pokud volná paměť přesáhne 20 %, swapspace začne odstraňovat nepotřebný swap.
  * **`freetarget=18`** – Swapspace se snaží udržovat volnou paměť kolem 18 %.

Tato konfigurace zajišťuje, že systém bude dynamicky udržovat vyvážené množství swapu podle aktuální dostupnosti paměti.

----

=== Restart swapspace a ověření funkčnosti ===
Po úpravě konfigurace jsem restartoval `swapspace`, aby se změny projevily:

<code bash>
sudo systemctl restart swapspace
</code>

Ověření správné funkčnosti proběhlo příkazem:

<code bash>
free -h
</code>

Pokud se swapovací prostor dynamicky mění podle potřeby, znamená to, že `swapspace` funguje správně.

Tímto způsobem jsem zajistil, že swapování se bude řídit dynamicky podle skutečné potřeby systému, což přispívá k lepší správě paměti.


=== Ověření správné funkčnosti swapspace ===

Po konfiguraci `swapspace` je důležité ověřit, zda vše funguje správně. K tomu jsem použil následující příkazy:

<code bash>
# Zobrazí aktuální využití swapu a volné paměti
free -h
</code>

<code bash>
# Sleduje logy swapspace a zobrazí posledních 50 záznamů
journalctl -u swapspace --no-pager | tail -n 50
</code>

<code bash>
# Zkontroluje stav swapspace služby
systemctl status swapspace
</code>

<code bash>
# Ověří, zda je nějaký swap aktivní
swapon --summary
</code>

<code bash>
# Sleduje dynamické vytváření a odstraňování swapu v reálném čase
sudo tail -f /var/log/syslog | grep swapspace
</code>

<code bash>
# Zobrazí detailní informace o aktuálně aktivních swapových zařízeních/souborech
cat /proc/swaps
</code>

Pokud logy neobsahují žádné chyby a výstupy příkazů ukazují dynamické přidávání a odebírání swapu podle volné paměti, znamená to, že **swapspace funguje správně**.


=== Simulace zaplnění RAM ===

Pokud chceš otestovat, zda se swap aktivuje při vysokém využití RAM, spusť tento test:

<code bash>
# Simuluje zátěž paměti – využije 90 % dostupné RAM po dobu 30 sekund
stress-ng --vm 2 --vm-bytes 90% --timeout 30s
</code>

Po dokončení testu ověř, zda se swap aktivoval:

<code bash>
# Zkontroluje aktuální využití RAM a swapu
free -h
</code>

<code bash>
# Ověří, zda swapspace vytvořil nový swapovací soubor
swapon --summary
</code>

Pokud swapovací soubor nevznikl a RAM je téměř plná, znamená to, že `swapspace` **nefunguje správně** a je potřeba prověřit jeho konfiguraci.



=== Ověření chování swapu při uvolnění paměti ===

Chci ověřit, zda `swapspace` uvolňuje swapovací prostor podle nastaveného parametru **upper_freelimit**. K tomu jsem použil následující postup:

1️⃣ Nejprve jsem si zaznamenal aktuální hodnoty využití RAM a swapu:

<code bash>
free -h
</code>

2️⃣ Poté jsem uvolnil cache a paměť, buď zavřením několika aplikací, nebo pomocí příkazu:

<code bash>
sync && echo 3 | sudo tee /proc/sys/vm/drop_caches
</code>

Tento příkaz:
- **`sync`** zajistí, že se všechna data z paměti zapíší na disk.
- **`echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches`** vyprázdní cache, což okamžitě uvolní část paměti.

3️⃣ Po uvolnění paměti jsem znovu zkontroloval využití RAM a swapu:

<code bash>
free -h
</code>

Pokud `swapspace` funguje správně, měl by swapovací soubor začít mizet, pokud dostupná RAM překročí hodnotu **upper_freelimit** nastavenou v `/etc/swapspace.conf`.

Pokud se swap neodstranil, může být problém v konfiguraci `swapspace`, který je potřeba dále analyzovat.


==== Použití `cgroups` k omezení swapování per proces ====

Další možností, jak omezit swapování, je využití **cgroups**, které umožňují řídit využití zdrojů pro jednotlivé procesy nebo uživatelské skupiny. V Xubuntu (a obecně v systémech založených na Ubuntu/Debianu) lze nastavit omezení swapování pomocí `systemd` a `cgroups v2`.

=== Povolení swapového limitu v jádře ===

Nejprve je třeba zajistit, že systém umožňuje řízení swapu pomocí `cgroups`. V Ubuntu 20.04+ a novějších je podpora obvykle aktivní, ale pro jistotu ji lze zapnout úpravou GRUBu:

<code bash>
echo "GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT=\"$GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT swapaccount=1\"" | sudo tee -a /etc/default/grub
sudo update-grub
sudo reboot
</code>

Po restartu ověř, zda je swapový limit aktivní:

<code bash>
cat /proc/cmdline | grep swapaccount=1
</code>

Pokud se ve výstupu objeví `swapaccount=1`, je nastavení aktivní.

=== Zakázání swapování pro všechny procesy uživatele ===

Pokud chceš zcela zakázat swap pro všechny procesy běžící pod aktuálním uživatelem (např. u desktopového prohlížeče), použij:

<code bash>
sudo systemctl set-property user-$(id -u).slice MemorySwapMax=0
</code>

Tento příkaz:
- Omezuje swapování pro všechny procesy aktuálního uživatele.
- Po restartu systému se nastavení zachová.

Pokud chceš nastavení aplikovat na konkrétní službu spravovanou systemd, například prohlížeč běžící jako služba:

<code bash>
sudo systemctl set-property firefox.service MemorySwapMax=0
</code>

=== Omezení swapu pro konkrétní procesy ===

Pokud chceš nastavit konkrétní limit pro swap u určité aplikace, můžeš použít `cgroups` ručně:

1️⃣ **Vytvoř cgroup pro daný proces**:

<code bash>
sudo mkdir -p /sys/fs/cgroup/memory/limited_swap
</code>

2️⃣ **Nastav maximální povolený swap na 500 MB**:

<code bash>
echo 500M | sudo tee /sys/fs/cgroup/memory/limited_swap/memory.memsw.limit_in_bytes
</code>

3️⃣ **Přidej běžící proces do této cgroup**:

<code bash>
echo $$ | sudo tee /sys/fs/cgroup/memory/limited_swap/cgroup.procs
</code>

Tímto způsobem se omezení aplikuje na procesy běžící v této skupině.

=== Ověření správné funkčnosti ===

Po aplikaci změn můžeš ověřit, zda omezení swapu funguje:

<code bash>
cat /sys/fs/cgroup/memory/limited_swap/memory.memsw.limit_in_bytes
</code>

Pokud se ve výstupu zobrazí správná hodnota (např. **500 MB**), konfigurace funguje.

Pokud chceš zjistit, které procesy v cgroup běží:

<code bash>
cat /sys/fs/cgroup/memory/limited_swap/cgroup.procs
</code>

📌 **Tímto způsobem lze swapování jemně řídit na úrovni uživatelů i jednotlivých aplikací.**

==== Použití `zswap` ====

Pokud nechceš dynamické swap soubory, ale raději kompresi dat v RAM, můžeš použít **zswap**, který je součástí jádra. `zswap` uchovává swapovaná data v RAM ve **zkomprimované podobě** a na disk zapisuje pouze tehdy, pokud už není místo.

**Aktivace `zswap`**:

<code bash>
echo zswap.enabled=1 | sudo tee -a /etc/default/grub.d/99-zswap.cfg
sudo update-grub
sudo reboot
</code>

Po restartu ověř, zda je `zswap` aktivní:

<code bash>
cat /sys/module/zswap/parameters/enabled
</code>

Výstup by měl být **`Y`**, což znamená, že `zswap` je zapnutý.

📌 **Tím swapování probíhá primárně v RAM a na disk jde méně dat, což snižuje opotřebení disku a zlepšuje výkon.**