ZRAM Swap 原理详解

前言

有人看到 “zram 是用内存做 swap” 时会有疑惑：用内存做 swap？那不是用内存存内存，死循环了吗？

这篇文章用最直白的语言解释 zram 的原理、和磁盘 swap 的区别，以及为什么它不是 “死循环”。

Swap 是什么

Swap（交换空间）是操作系统的一种内存管理机制：

物理内存不够时，内核把不常用的内存页挪到 swap 空间
需要时，再从 swap 空间读回来
本质是用空间换时间——牺牲一点速度，换取更多可用内存

磁盘 Swap（传统方式）

应用程序 → 物理内存（RAM）
               │ 内存不足时
               ▼
          磁盘（SSD/HDD）

特点：
  • 存储介质：SSD 或 HDD
  • 速度：慢（毫秒级 I/O 延迟）
  • 容量：大（取决于磁盘剩余空间）
  • CPU 开销：无
  • 适合场景：物理内存严重不足时的兜底方案

ZRAM Swap（压缩内存）

zram 不是 “用内存来存内存”，而是：

核心原理

正常情况（无 zram）：
  应用程序 → 占用物理内存 100MB

内存压力大时（有 zram）：
  应用程序 → 占用物理内存 50MB（常用数据保留）
  zram 设备 → 压缩存储 50MB 冷数据
              ↓ 压缩（通常 2:1 ~ 4:1）
          实际只占 15MB 物理内存

总计占用：50MB + 15MB = 65MB
相比原来：节省了 35MB

关键点

按需分配：zram 不是预先划走一块固定内存，而是按需压缩页面
压缩存储：数据在物理内存中，但以压缩形式存放，占用更少空间
不是 “用箱子装箱子”：那 15MB 是直接从可用内存池里分配的，是实实在在的物理内存，不存在循环

类比：真空压缩袋

你有一个行李箱（物理内存）：

正常情况下：
  放 5 件羽绒服 → 占满整个箱子（100%）

用了 zram 压缩袋后：
  放 5 件羽绒服 → 用压缩袋抽真空
                    → 只占箱子一半空间（50% 压缩比）
                    → 还能再放 5 件进去

不是 "拿一个箱子装另一个箱子"，
而是 "把衣服压缩变小，省出空间放更多东西"。

磁盘 Swap vs ZRAM 对比

特性	磁盘 Swap	ZRAM Swap
存储介质	SSD/HDD	物理内存（压缩后）
读写速度	慢（ms 级）	快（μs 级）
容量	大（取决于磁盘）	小（通常设内存的 50%）
CPU 开销	无	有（压缩/解压）
重启后数据	保留	丢失
压缩比	不压缩	2:1 ~ 4:1
适合场景	内存极度不足	内存轻度不足，提高利用率

性能实测数据（参考）

操作            延迟
─────────────────────────────
内存直接访问      ~100ns
ZRAM 压缩/解压    ~1-5μs
SSD Swap 读写     ~100μs-1ms
HDD Swap 读写     ~10-20ms

ZRAM 比 SSD swap 快 100-1000 倍。

为什么不是死循环

关键问题：zram 的压缩数据也占物理内存，这部分内存从哪里来？

答案：从可用内存池中来。

系统启动时：

┌────────────────────────────────────┐
│           物理内存 32GB              │
├────────────────────────────────────┤
│ 应用程序     │   可用内存           │
│ 12GB         │   20GB              │
└──────────────┴─────────────────────┘

设置 16GB zram swap（不预分配）：

┌────────────────────────────────────┐
│           物理内存 32GB              │
├────────────────────────────────────┤
│ 应用程序     │  zram  │  可用内存   │
│ 12GB         │ (按需)  │  20GB      │
└──────────────┴────────┴────────────┘

内存压力时，内核把冷数据压缩到 zram：
占用的是那 20GB 可用内存的一小部分

如果可用内存为 0，zram 也无法再分配新页面
→ 系统 OOM 或使用磁盘 swap 兜底

这就好比： 你用手机拍了一张 10MB 的照片，发微信时微信会自动压缩成 1MB 再发送。压缩后的 1MB 还是存在手机内存（存储空间）里的，不是 “用存储存存储” 的死循环。

实际配置示例

#!/bin/bash
# 配置 4GB zram swap（适合 8GB 内存的机器）

ZRAM_SIZE=$((4 * 1024 * 1024 * 1024))  # 4GB

# 添加 zram 设备
ZRAM_DEV=$(cat /sys/class/zram-control/hot_add)

# 设置大小（使用 lz4 算法，速度优先）
echo lz4 > /sys/block/zram${ZRAM_DEV}/comp_algorithm
echo ${ZRAM_SIZE} > /sys/block/zram${ZRAM_DEV}/disksize

# 启用 swap（优先级 100，比磁盘 swap 优先）
mkswap /dev/zram${ZRAM_DEV}
swapon -p 100 /dev/zram${ZRAM_DEV}

查看 zram 使用情况：

# 压缩比、实际占用内存等
cat /sys/block/zram*/stat

# 或使用 zramctl
zramctl

输出示例：

NAME       ALGORITHM DISKSIZE  DATA  COMPR  TOTAL  STREAMS
/dev/zram0 lz4            4G  2.1G  987M  1002M       4
                            ↑    ↑     ↑
                      原始数据  压缩后  含元数据

总结

zram 不是死循环 — 它只是把冷数据压缩存放，压缩后的数据占用的还是物理内存，但占得更少
比磁盘 swap 快很多 — 因为数据在内存中，只是经过了压缩/解压，不需要走 I/O
适合桌面/开发机 — 内存不是完全不够，但想提高利用率
不适合内存已经完全不够的场景 — 那时必须用磁盘 swap 兜底

理解 zram 的关键就一句话：

“不是用箱子装箱子，而是把衣服压缩了再放回箱子。”

`/dev/shm` 详解

前言

/dev/shm 是 Linux 下一个容易被忽视但非常实用的特殊文件系统。很多人用过它但不一定清楚它的原理和限制。

什么是 /dev/shm

/dev/shm 是一个 tmpfs（临时文件系统），挂载在内存上的虚拟文件系统。

/dev/shm 的本质：
  • 类型：tmpfs（temporary file system）
  • 存储介质：物理内存（RAM）+ swap
  • 挂载点：/dev/shm
  • 默认大小：物理内存的 50%
  • 持久性：重启后数据丢失（volatile）

查看当前系统的 /dev/shm：

$ df -h /dev/shm
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
tmpfs           6.3G     0  6.3G   0% /dev/shm

$ mount | grep /dev/shm
tmpfs on /dev/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev,relatime,inode64)

和 ZRAM 的关系

/dev/shm 和 zram 是两个完全不同的概念，但容易混淆：

特性	`/dev/shm` (tmpfs)	ZRAM
类型	文件系统	块设备
用途	共享内存、临时文件	swap 空间
数据是否压缩	否（原始数据）	是（压缩存储）
是否占用内存	是	是（但压缩后更小）
是否可以设置为 swap	可以（但没必要）	专门做 swap

一个简单区分：

/dev/shm → "把内存当成硬盘用"（文件系统）
zram     → "把内存当成 swap 用"（块设备 + 压缩）

谁在使用 /dev/shm

POSIX 共享内存（shm_open）

$ ls -la /dev/shm/
-rw------- 1 bill bill 1048576 May 27 18:30 my_shared_mem

Chrome/Chromium 浏览器

Chrome 使用 /dev/shm 作为共享内存缓存，加速多进程通信。

# Chrome 的共享内存文件
$ ls /dev/shm/
com.google.Chrome.*

如果 /dev/shm 太小，Chrome 可能会报 “共享内存不足” 的警告。

Docker/BuildKit

docker/build-push-action 的 --shm-size 参数就是设置 build 容器的 /dev/shm 大小：

- name: Build
  uses: docker/build-push-action@v6
  with:
    shm-size: 2g  # 设置 /dev/shm 为 2GB

某些编译工具（如 Go 的编译器、LLVM）在并行编译时会大量使用共享内存，默认的 64MB 可能不够。

Python multiprocessing

Python 的 multiprocessing 模块默认使用 /dev/shm 做共享内存：

from multiprocessing import shared_memory

# 创建 10MB 共享内存块
shm = shared_memory.SharedMemory(name="my_shm", create=True, size=10*1024*1024)

和 TMPFS 的关系

/dev/shm 是 tmpfs 的一种。其他常见的 tmpfs 挂载点：

$ mount | grep tmpfs
tmpfs on /tmp             type tmpfs (rw,nosuid,nodev)   # 某些发行版
tmpfs on /dev/shm         type tmpfs (rw,nosuid,nodev)
tmpfs on /run             type tmpfs (rw,nosuid,nodev)
tmpfs on /sys/fs/cgroup   type tmpfs (ro,nosuid,nodev)

tmpfs 的特点：

写入 tmpfs 的文件：
  ✓ 读写速度快（纯内存操作）
  ✓ 重启后自动清空
  ✓ 动态分配（用多少占多少，不是预分配）

  ✗ 受物理内存 + swap 限制
  ✗ 重启后数据丢失

调整 /dev/shm 大小

临时调整（立即生效）

# 调整为 8GB
sudo mount -o remount,size=8G /dev/shm

# 或调整为物理内存的 60%
sudo mount -o remount,size=60% /dev/shm

永久调整

# 编辑 /etc/fstab
tmpfs /dev/shm tmpfs defaults,noexec,nosuid,size=8G 0 0

查看使用情况

# 最简单的
df -h /dev/shm

# 查看具体哪些文件占用了 /dev/shm
du -sh /dev/shm/*
lsof /dev/shm 2>/dev/null | head -20

/dev/shm vs /tmp 的区别

有些人会把 /tmp 也挂载为 tmpfs，但两者有区别：

	`/dev/shm`	`/tmp`（如果挂载为 tmpfs）
用途	共享内存（进程间通信）	临时文件
标准	POSIX 标准（shm_open）	无标准
清理策略	手动删除或重启清除	通常自动清理（如 systemd tmpfiles）
固定挂载点	是	不是

不建议把 /tmp 换成 tmpfs 的原因：

如果 /tmp 是 tmpfs（纯内存）：
  1. 大文件下载到 /tmp 会占满内存
  2. 系统意外重启会丢失 /tmp 下的数据
  3. 某些程序依赖 /tmp 持久性（如 /var/tmp）

更好的做法：
  /tmp → 磁盘文件系统（如 ext4/xfs）
  /dev/shm → tmpfs（只用于共享内存）

/dev/shm 的常见问题

问题：Chrome 报 “共享内存不足”

症状：Chrome 标签页卡顿，报 "Shared memory" 相关错误
原因：/dev/shm 默认太小（物理内存的 50%），Chrome 多进程通信占满
解决：扩大 /dev/shm

sudo mount -o remount,size=4G /dev/shm

问题：Docker build 失败（OOM）

症状：Docker build 过程中报 "Killed" 或 "Cannot allocate memory"
原因：编译工具（如 Rust 的并行编译）使用了大量共享内存
解决：设置 --shm-size

# docker-compose.yml
services:
  build:
    build:
      context: .
      shm_size: '2gb'

问题：tmpfs 数据丢失

症状：重启后 /dev/shm 下的文件消失了
原因：这是正常行为！tmpfs 是 volatile 存储
解决：需要持久化的数据不要放在 /dev/shm

总结

概念	本质	用途
ZRAM	压缩内存块设备	提高内存利用率（冷数据压缩）
`/dev/shm`	内存文件系统	进程间共享内存
Swap（磁盘）	磁盘交换空间	内存不足时兜底

三个概念的关系：

物理内存（RAM）
    │
    ├── 应用程序直接使用（热数据）
    │
    ├── zram（冷数据，压缩后继续存放在内存中）
    │    └── 压缩后的数据也占用物理内存
    │
    ├── /dev/shm（共享内存，文件系统方式使用内存）
    │
    └── swap（磁盘，内存真不够时溢出到磁盘）
          └── 磁盘上的 swap 也可能同时存在

一句话总结：
– ZRAM = “把内存压缩，省出空间”
– /dev/shm = “把内存当硬盘，快速读写临时数据”
– 磁盘 Swap = “内存真不够了，用硬盘兜底”