个人用云计算学习笔记 --14（ Linux 逻辑卷管理、Linux 交换空间管理）

iconball2025-09-28 14:01

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Linux 逻辑卷管理(8. Linux 逻辑卷管理)

逻辑卷基本管理

硬盘分区管理方案缺点

  • 硬盘分区空间必须使用连续空间，所以硬盘分区扩容很麻烦，特别是要扩容的分区后没有空间。
  • 使用硬盘分区创建的文件系统不同跨多个硬盘，受单个硬盘容量限制。
  • 如果硬盘损坏，则文件系统中数据也会丢失。

逻辑卷管理硬盘方案优点

  • 使用逻辑卷可以更加灵活地扩展和缩减文件系统空间。
  • 使用逻辑卷创建的文件系统可以跨多个硬盘，适合创建超大容量文件系统。
  • 使用逻辑卷可以创建镜像卷，保证数据的冗余性。即使单个硬盘损坏，文件系统中数据也会丢失。
  • 使用逻辑卷还可以创建快照，保留某一时刻数据，就像虚拟机快照一样。

逻辑卷基本概念

LVM是 Logical Volume Manager(逻辑卷管理)的简写，LVM将若干个磁盘或者磁盘分区连接为一个整块的卷组，形成一个存储池。管理员可以在卷组上任意创建逻辑卷，并进一步在逻辑卷上创建文件系统。

  • 物理卷（PV, Physical Volume），是LVM的基本存储逻辑块，通过块设备创建。块设备是指磁盘、磁盘分区或从逻辑上和磁盘分区具有同样功能的设备(如RAID)。与基本的物理存储介质（如分区、磁盘等）相比，物理卷包含有和LVM相关的管理参数。
  • 卷组（VG, Volume Group），是一个逻辑的存储空间，由一个或多个物理卷组成。
  • 逻辑卷（LV, Logical Volume），是从卷组中创建出来的一个逻辑空间。如果把一个卷组类比为一个逻辑硬盘，那么逻辑卷则可以类比为一个硬盘分区，所以也可以在逻辑卷之上创建文件系统。

简单地说：卷组由多个物理卷组成，可以在卷组中创建多个逻辑卷，对逻辑卷创建文件系统给用户使用。

LVM管理基本流程：

  1. 创建物理卷
  2. 创建卷组
  3. 创建逻辑卷

命令部分

环境准备

虚拟机添加3块20G硬盘，sdb sdc sdd

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# lsblk /dev/sd{b..d}
NAME MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sdb    8:16   0  20G  0 disk 
sdc    8:32   0  20G  0 disk 
sdd    8:48   0  20G  0 disk

pvcreate(创建物理卷)

bash 复制代码 
pvcreate [选项] 设备路径
  • -v：显示详细过程（verbose 模式）。
  • -f：强制初始化（即使设备上有数据或分区表，慎用！）。
  • -u UUID：指定物理卷的 UUID（默认自动生成）。
  • -y：所有提示都自动回答 "yes"（批量操作时使用）。
bash 复制代码 
# 创建单个PV
[root@centos7 ~]# pvcreate /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" successfully created.

# 此次创建多个PV
[root@centos7 ~]# pvcreate /dev/sd{c,d}
  Physical volume "/dev/sdc" successfully created.
  Physical volume "/dev/sdd" successfully created.
  
# 查看PV列表
[root@centos7 ~]# pvs
  PV         VG     Fmt  Attr PSize   PFree 
  /dev/sdb          lvm2 ---   20.00g 20.00g
  /dev/sdc          lvm2 ---   20.00g 20.00g
  /dev/sdd          lvm2 ---   20.00g 20.00g

# 查看单个PV详细信息
[root@centos7 ~]# pvdisplay /dev/sdb
  "/dev/sdb" is a new physical volume of "20.00 GiB"
  --- NEW Physical volume ---
  PV Name               /dev/sdb
  VG Name               
  PV Size               20.00 GiB
  Allocatable           NO
  PE Size               0   
  Total PE              0
  Free PE               0
  Allocated PE          0
  PV UUID               MBHW0w-OkJL-CasO-PYRR-sduS-U2m5-zdkQ5d

vgcreate(创建卷组)

bash 复制代码 
vgcreate [选项] 卷组名称 物理卷路径1 [物理卷路径2 ...]
  • -s <大小>：指定卷组的物理扩展块（Physical Extent，PE） 大小（默认 4MB），例如 -s 16M 表示 PE 大小为 16MB。PE 是 LVM 中最小的存储分配单位，逻辑卷的大小必须是 PE 的整数倍。
  • -v：显示详细创建过程（verbose 模式）。
  • -y：对所有确认提示自动回答 "yes"。
bash 复制代码 
# 创建包涵单个PV的VG
[root@centos7 ~]# vgcreate webapp /dev/sdb
  Volume group "webapp" successfully created

# 创建包涵多个PV的VG
[root@centos7 ~]# vgcreate dbapp /dev/sd{c,d}
  Volume group "dbapp" successfully created

[root@centos7 ~]# pvs
  PV         VG     Fmt  Attr PSize   PFree  
  /dev/sdb   webapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g
  /dev/sdc   dbapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g
  /dev/sdd   dbapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g

# 查看VG列表
[root@centos7 ~]# vgs
  VG     #PV #LV #SN Attr   VSize   VFree  
  dbapp    2   0   0 wz--n-   39.99g  39.99g
  webapp   1   0   0 wz--n-  <20.00g <20.00g

# 查看单个VG详细信息
[root@centos7 ~]# vgdisplay dbapp
  --- Volume group ---
  VG Name               dbapp
  System ID             
  Format                lvm2
  Metadata Areas        2
  Metadata Sequence No  1
  VG Access             read/write
  VG Status             resizable
  MAX LV                0
  Cur LV                0
  Open LV               0
  Max PV                0
  Cur PV                2
  Act PV                2
  VG Size               39.99 GiB
  # PE，Physical Extend，是PV的最小存储单元。
  # 在创建VG时，可通过-s选项设置。
  PE Size               4.00 MiB
  Total PE              10238
  Alloc PE / Size       0 / 0   
  Free  PE / Size       10238 / 39.99 GiB
  VG UUID               kjY26m-D0ax-WmMq-fMJv-1Tnb-imqh-GOAWkG

lvcreate（创建逻辑卷）

bash 复制代码 
lvcreate [选项] 卷组名称

选项（指定逻辑卷大小）

  • -L <大小>：直接指定逻辑卷的大小（如 10G、500M、2T）。
  • -l <PE数量>：按卷组的物理扩展块（PE）数量指定大小（如 -l 1000 表示使用 1000 个 PE，总大小 = 1000×PE 大小）。
  • -n <名称>：指定逻辑卷的名称（必选）。

扩展选项

  • -s：创建快照卷（用于数据备份，基于原逻辑卷的只读 / 可写副本）。
  • -i <数量>：条带化逻辑卷（将数据分散到多个物理卷，提升读写性能，类似 RAID0）。
  • -m <数量>：镜像逻辑卷（创建冗余副本，
bash 复制代码 
# 在卷组webapp中创建一个逻辑卷：名称为webapp01，大小为5G。
[root@centos7 ~]# lvcreate -n webapp01 -L 5G webapp
  Logical volume "webapp01" created.

# 在卷组dbapp中创建一个跨硬盘逻辑卷：名称为data01，大小为25G。
[root@centos7 ~]# lvcreate -n data01 -L 25G dbapp
  Logical volume "data01" created.

# 查看LV列表
[root@centos7 ~]# lvs
  LV     VG     Attr       LSize   Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  data01   dbapp  -wi-a-----  25.00g                                               
  webapp01 webapp -wi-a-----   5.00g

逻辑卷设备名支持以下三种格式：

  • /dev/vname/lvame
  • /dev/mapper/vname-lvame
  • /dev/dm-N
bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# ls -l /dev/dbapp/data01 /dev/mapper/dbapp-data01
lrwxrwxrwx 1 root root 7 6月  17 18:26 /dev/dbapp/data01 -> ../dm-4
lrwxrwxrwx 1 root root 7 6月  17 18:26 /dev/mapper/dbapp-data01 -> ../dm-4
bash 复制代码 
# 查看单个LV详细信息
[root@centos7 ~]# lvdisplay /dev/dbapp/data01
  --- Logical volume ---
  LV Path                /dev/dbapp/data01
  LV Name                data02
  VG Name                dbapp
  LV UUID                W8UafB-A7RJ-dBjM-bsA2-8Obc-p8gE-bMZgmm
  LV Write Access        read/write
  LV Creation host, time centos7.linux.com, 2022-12-26 11:42:40 +0800
  LV Status              available
  # open                 0
  LV Size                25.00 GiB
  # LE，Logical Extend，是LV的最小存储单元。
  # 通常一个LE对应于一个PE。
  Current LE             6400
  Segments               2
  Allocation             inherit
  Read ahead sectors     auto
  - currently set to     8192
  Block device           253:4

# 可以看到：物理卷/dev/sdc空间已使用完，物理卷/dev/sdd空间已使用5G
[root@centos7 ~]# pvs
  PV             VG     Fmt  Attr PSize    PFree  
  /dev/sdb       webapp lvm2 a--   <20.00g <15.00g
  /dev/sdc       dbapp  lvm2 a--   <20.00g      0 
  /dev/sdd       dbapp  lvm2 a--   <20.00g  14.99g

# 可以看到逻辑卷/dev/dbapp/data01空间横跨2个硬盘
[root@centos7 ~]# lsblk /dev/sd{b..d}
NAME              MAJ:MIN RM SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sdb                 8:16   0  20G  0 disk 
└─webapp-webapp01 253:3    0   5G  0 lvm  
sdc                 8:32   0  20G  0 disk 
└─dbapp-data01    253:4    0  25G  0 lvm  
sdd                 8:48   0  20G  0 disk 
└─dbapp-data01    253:4    0  25G  0 lvm

创建文件系统（挂载）

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# mkfs.xfs /dev/webapp/webapp01
[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01 /var/www/html
# 基于lvm的文件系统持久化挂载，需要修改/etc/fstab文件。

清理

bash 复制代码 
# 卸载文件系统
[root@centos7 ~]# umount /dev/webapp/webapp01

# 删除LV
[root@centos7 ~]# lvremove /dev/webapp/webapp01 /dev/dbapp/data01
Do you really want to remove active logical volume webapp/webapp01? [y/n]: y
  Logical volume "webapp01" successfully removed
Do you really want to remove active logical volume dbapp/data01? [y/n]: y
  Logical volume "data01" successfully removed

# 删除VG
[root@centos7 ~]# vgremove webapp dbapp
  Volume group "webapp" successfully removed
  Volume group "dbapp" successfully removed

# 删除PV
[root@centos7 ~]# pvremove /dev/sd{b..d}
  Labels on physical volume "/dev/sdb" successfully wiped.
  Labels on physical volume "/dev/sdc" successfully wiped.
  Labels on physical volume "/dev/sdd" successfully wiped.

扩展和缩减卷组

环境准备

bash 复制代码 
# 创建卷组
[root@centos7 ~]# vgcreate webapp /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" successfully created.
  Volume group "webapp" successfully created
# 创建卷组的时候，如果指定的块设备不是物理卷，则会先将块设备创建为物理卷。

# 创建逻辑卷
[root@centos7 ~]# lvcreate -n webapp01 -L 10G webapp
  Logical volume "webapp01" created.

扩展卷组

如果卷组空间不足，可以通过添加新的物理卷到卷组中，以扩展卷组容量。

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# vgextend webapp /dev/sd{c,d}
  Physical volume "/dev/sdc" successfully created.
  Physical volume "/dev/sdd" successfully created.
  Volume group "webapp" successfully extended

缩减卷组

如果卷组空间中有多余的物理卷或者物理卷容量小需要更换，则可以将物理卷从卷组中剔除。

删除物理卷前确保物理卷不在使用中。

bash 复制代码 
# 查看物理卷使用状态
[root@centos7 ~]# pvs
  PV         VG     Fmt  Attr PSize   PFree  
  /dev/sdb   webapp   lvm2 a--  <20.00g <10.00g # /dev/sdb在使用
  /dev/sdc   webapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g
  /dev/sdd   webapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g

# 将物理卷/dev/sdb从卷组webapp中剔除，则会报错
[root@centos7 ~]# vgreduce webapp /dev/sdb
  Physical volume "/dev/sdb" still in use

# 解决方法：将物理卷/dev/sdb中数据移动到卷组中其他物理卷
[root@centos7 ~]# pvmove /dev/sdb
# 或者移动到卷组中特定物理卷
[root@centos7 ~]# pvmove /dev/sdb /dev/sdd
  /dev/sdb: Moved: 0.51%
  /dev/sdb: Moved: 100.00%

# 查看物理卷使用状态
[root@centos7 ~]# pvs
  PV         VG     Fmt  Attr PSize   PFree  
  /dev/sdb   webapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g # /dev/sdb不在使用
  /dev/sdc   webapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g
  /dev/sdd   webapp   lvm2 a--  <20.00g <10.00g # /dev/sdd在使用

# 再次剔除，成功
[root@centos7 ~]# vgreduce webapp /dev/sdb
  Removed "/dev/sdb" from volume group "webapp"
[root@centos7 ~]# pvs
  PV         VG     Fmt  Attr PSize   PFree  
  /dev/sdb          lvm2 ---   20.00g  20.00g
  /dev/sdc   webapp   lvm2 a--  <20.00g <20.00g
  /dev/sdd   webapp   lvm2 a--  <20.00g <10.00g

扩展和缩减逻辑卷

扩展逻辑卷

如果逻辑卷空间不足，在卷组空间充足的情况下，也可以扩展逻辑卷空间。

bash 复制代码 
# 逻辑卷增加2G空间
[root@centos7 ~]# lvextend -L +2G /dev/webapp/webapp01 
  Size of logical volume webapp/webapp01 changed from 10.00 GiB (2560 extents) to 12.00 GiB (3072 extents).
  Logical volume webapp/webapp01 successfully resized.

[root@centos7 ~]# lvs /dev/webapp/webapp01 
  LV       VG     Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  webapp01 webapp -wi-a----- 12.00g

缩减逻辑卷

如果逻辑卷空间充足，希望将多余的空间缩减出来它用，也可以缩减逻辑卷空间。

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# lvreduce -L -2G /dev/webapp/webapp01
  WARNING: Reducing active logical volume to 10.00 GiB.
  THIS MAY DESTROY YOUR DATA (filesystem etc.)
Do you really want to reduce webapp/webapp01? [y/n]: `y`
  Size of logical volume webapp/webapp01 changed from 12.00 GiB (3072 extents) to 10.00 GiB (2560 extents).
  Logical volume webapp/webapp01 successfully resized.

[root@centos7 ~]# lvs /dev/webapp/webapp01 
  LV       VG     Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  webapp01 webapp -wi-a----- 10.00g

扩展和缩减文件系统

扩展 XFS 文件系统

XFS文件系统只支持扩展，不支持缩减。

环境准备：格式化文件系统，并创建数据

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# mkfs.xfs /dev/webapp/webapp01
[root@centos7 ~]# mkdir /var/www/html
[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01 /var/www/html
[root@centos7 ~]# cp /etc/host* /var/www/html
[root@centos7 ~]# ls /var/www/html
host.conf  hostname  hosts  hosts.allow  hosts.deny
bash 复制代码 
# 第一步：扩展逻辑卷
[root@centos7 ~]# lvextend -L 15G /dev/webapp/webapp01
[root@centos7 ~]# lvs /dev/webapp/webapp01
  LV       VG     Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  webapp01 webapp -wi-ao---- 15.00g
  
# 第二步：扩展文件系统
[root@centos7 ~]# xfs_growfs /var/www/html

[root@centos7 ~]# df -h /var/www/html
文件系统                     容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/mapper/webapp-webapp01   15G  140M   15G    1% /var/www/html
[root@centos7 ~]# ls /var/www/html
host.conf  hostname  hosts  hosts.allow  hosts.deny

# 块设备和文件系统一并扩展
[root@centos7 ~]# lvextend -rL 20G /dev/webapp/webapp01

[root@centos7 ~]# lvs /dev/webapp/webapp01
  LV       VG     Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  webapp01 webapp -wi-ao---- 20.00g                                                    
[root@centos7 ~]# df -h /var/www/html
文件系统                     容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/mapper/webapp-webapp01   20G  176M   20G    1% /var/www/html

扩展 EXT4 文件系统

EXT4文件系统即支持扩展，也支持缩减。

环境准备：格式化文件系统，并创建数据

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# umount /var/www/html
[root@centos7 ~]# mkfs.ext4 /dev/webapp/webapp01

[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01 /var/www/html
[root@centos7 ~]# df -h /var/www/html
文件系统                     容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/mapper/webapp-webapp01   20G   24K   19G    1% /var/www/html

[root@centos7 ~]# cp /etc/host* /var/www/html
[root@centos7 ~]# ls /var/www/html
host.conf  hostname  hosts  hosts.allow  hosts.deny
bash 复制代码 
# 第一步：扩展逻辑卷
[root@centos7 ~]# lvextend -L 25G /dev/webapp/webapp01
[root@centos7 ~]# lvs /dev/webapp/webapp01
  LV       VG     Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  webapp01 webapp -wi-ao---- 25.00g 
  
# 第二步：扩展文件系统
[root@centos7 ~]# resize2fs /dev/webapp/webapp01
[root@centos7 ~]# df -h /var/www/html
文件系统                     容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/mapper/webapp-webapp01   25G   36K   24G    1% /var/www/html
[root@centos7 ~]# ls /var/www/html
host.conf  hostname  hosts  hosts.allow  hosts.deny

# 块设备和文件系统一并扩展
[root@centos7 ~]# lvextend -rL 30G /dev/webapp/webapp01

[root@centos7 ~]# lvs /dev/webapp/webapp01
  LV       VG     Attr       LSize  Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  webapp01 webapp -wi-ao---- 30.00g                                                    
[root@centos7 ~]# df -h /var/www/html
文件系统                     容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/mapper/webapp-webapp01   30G   36K   28G    1% /var/www/html

缩减 EXT4 文件系统

缩减EXT4文件系统注意事项：

  • 不支持在线缩减，必须卸载后缩减。
  • 缩减后的容量，不能小于当前使用的容量。

ext4 减容流程：

  1. 卸载文件系统
  2. e2fsck 文件系统
  3. 缩减文件系统
  4. 缩减lv
  5. 挂载测试

具体操作如下：

bash 复制代码 
# 第一步：卸载文件系统
[root@centos7 ~]# umount /var/www/html 

# 第二步：检测文件系统
[root@centos7 ~]# e2fsck -f /dev/webapp/webapp01
e2fsck 1.42.9 (28-Dec-2013)
第一步: 检查inode,块,和大小
第二步: 检查目录结构
第3步: 检查目录连接性
Pass 4: Checking reference counts
第5步: 检查簇概要信息
/dev/webapp/webapp01：14/1966080 文件（0.0% 为非连续的）， 167445/7864320 块

# 第三步：缩减文件系统
[root@centos7 ~]# resize2fs /dev/webapp/webapp01 10G
resize2fs 1.45.6 (20-Mar-2020)
将 /dev/webapp/webapp01 上的文件系统调整为 2621440 个块（每块 4k）。
/dev/webapp/webapp01 上的文件系统现在为 2621440 个块（每块 4k）。

# 第四步：缩减逻辑卷
[root@centos7 ~]# lvreduce -L 10G /dev/webapp/webapp01
  WARNING: Reducing active logical volume to 10.00 GiB.
  THIS MAY DESTROY YOUR DATA (filesystem etc.)
Do you really want to reduce webapp/webapp01? [y/n]: `y`
  Size of logical volume webapp/webapp01 changed from 30.00 GiB (7680 extents) to 10.00 GiB (2560 extents).
  Logical volume webapp/webapp01 successfully resized.

# 第五步：挂载文件系统验证
[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01 /var/www/html

[root@centos7 ~]# df -h /var/www/html
文件系统                     容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/mapper/webapp-webapp01  9.7G   36K  9.3G    1% /var/www/html

[root@centos7 ~]# ls /var/www/html
host.conf  hostname  hosts  lost+found

补充说明： 如果文件系统是构建在磁盘分区上，扩展文件系统容量和缩减文件系统容量操作相同。

逻辑卷快照

我们可以使用快照记录了lv中数据，后续可以用来恢复数据。

bash 复制代码 
# 创建快照：快照的容量不能小于lv容量
[root@centos7 ~]# lvcreate -s -n webapp01-snap1 -L 10G /dev/webapp/webapp01
  Logical volume "webapp01-snap1" created.

# 挂载快照
[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01-snap1 /webapp/webapp01/

# 查看数据
[root@centos7 ~]# ls /webapp/webapp01/
host.conf  hostname  hosts  hosts.allow  hosts.deny

# 创建新数据
[root@centos7 ~]# echo hello world > /webapp/webapp01/hello.txt
[root@centos7 ~]# cat /webapp/webapp01/hello.txt
hello world

raid 逻辑卷

准备环境

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# umount /webapp/webapp0
[root@centos7 ~]# umount /var/www/html
[root@centos7 ~]# lvremove /dev/webapp/webapp01*

创建 raid1 逻辑卷

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# lvcreate --type raid1 -n webapp01 -L 15G webapp
[root@centos7 ~]# mkfs.xfs /dev/webapp/webapp01 
[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01 /var/www/html/
[root@centos7 ~]# cp /etc/ho* /var/www/html/

模拟故障

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sdd bs=1M count=256

此时文件系统仍可以正方访问

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# ls /var/www/html/
host.conf  hostname  hosts  hosts.allow  hosts.deny
[root@centos7 ~]# umount /var/www/html
[root@centos7 ~]# mount /dev/webapp/webapp01 /var/www/html/

修复raid

bash 复制代码 
# 删除丢失的物理卷
[root@centos7 ~]# vgreduce --removemissing webapp --force

# 扩容回来
[root@centos7 ~]# vgextend webapp /dev/sdd

# 修复raid1 逻辑卷
[root@centos7 ~]# lvconvert --repair /dev/webapp/webapp01

# 扫描物理卷变化
[root@centos7 ~]# pvscan

# 验证结果
[root@centos7 ~]# pvs|grep webap
  /dev/sdb   webapp lvm2 a--  <20.00g   4.99g
  /dev/sdc   webapp lvm2 a--  <20.00g   4.99g
  /dev/sdd   webapp lvm2 a--  <20.00g <20.00g

其他示例：创建 raid5 逻辑卷

bash 复制代码 
# Create  a  RAID5  LV  with a usable size of 5GiB, 3 stripes, a stripe size of 64KiB, using a total of 4 devices (including one for parity).
lvcreate --type raid5 -L 5G -i 3 -I 64 -n mylv vg00

Linux 交换空间管理(9. Linux 交换空间管理)

计算机存储器的层次结构

计算机存储器速度越快，成本较高。 为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作。

  • CPU 寄存器，是 CPU 内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果以及一些 CPU 运行需要的信息。

  • CPU 高速缓存，也就是CPU Cache，是一种容量小、速度快的高缓冲存储器，由SRAM组成，直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。

  • 主存储器（Main memory），简称主存或内存，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。主存储器速度比CPU高速缓存慢，但存储容器却大的多。

    主存储器的速度 一般用存取时间衡量，即每次与CPU间数据处理耗费的时间，以纳秒(ns)为单位。大多数SDRAM内存芯片的存取时间为5、6、7、8或10ns。

    主存储器的带宽计算公式：带宽＝频率*位宽／8。

    例如：DDR4 内存频率是3600 MHz，在64位系统（双通道位宽为128，以此类推），1B=8bit,

    • 单通道 DDR4-3600：3600MHz * 64bit / 8=28800MB/S

    • 双通道 DDR4-3600：3600MHz * 64bit * 2 / 8=57600MB/S

  • 辅助存储器，速度慢的多，优点是容量大，可持久化存储。

计算机存储器的工作原理

  1. CPU运行程序时，先从寄存器中读取数据。如果在寄存器中可以找到数据，则直接从寄存器中读取。如果在寄存器中找不到数据，则从CPU Cache中读取数据，并将数据缓存在CPU Cache中。
  2. 如果在CPU cache中可以找到数据，则直接从CPU Cache中读取。如果在CPU cache中找不到数据，则从主存储器（内存）中读取数据，将数据缓存在主存储器中。
  3. 如果在内存中可以找到数据，则直接从内存中读取。如果在内存中找不到数据，则从辅助存储器中读取数据，例如机械磁盘、光盘、U盘等，并将数据缓存在内存中。

物理内存

计算机系统将内存划分为固定大小的块 ，称为 page ，标准 page 大小为 4 KiB 。进程并不直接对物理内存寻址，每个进程具有虚拟地址空间virtual address space。当进程请求内存时，MMU 将进程获得的虚拟地址（VA，Virtual Address ）映射到物理地址（PA，Physical Address ）。

MMU是Memory Management Unit的缩写，即内存管理单元，它是CPU中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，负责将虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权。

**思考：**为什么CPU不直接访问物理地址？

  1. 虚拟内存的容量是物理内存和交换空间的总和，而虚拟地址负责映射到物理内存地址和交换空间地址。
  2. 进程使用内存的过程中，希望内存是连续的。如果进程直接访问物理地址，则内核很难保证进程获得的物理地址空间是连续的，因为进程存在着运行和退出，就会出现内存碎片化。进程的虚拟地址在虚拟内存中是连续的，达到了内存连续的目的，而 MMU 会将进程的虚拟地址映射到物理地址。

Swap 空间

Swap，意思是"交换"、"实物交易"。Linux Swap（交换）空间是受Linux内核内存子系统控制的磁盘区域。

  • 功能1：当内存使用量超过定义的限制时，内核寻找已分配给进程但空闲的内存页，将该空闲的内存页写入到交换空间，并向其他进程重新分配RAM页面。
  • 功能2：如果某个程序需要访问磁盘上的页面，则内核会找到另一个空闲的内存页， 将其写入到磁盘，然后从交换区重新调用所需的页面。
  • 功能3：如果某个程序需要访问数据，访问的数据存放在交换空间，则该程序直接从交换空间读取数据，而不需要从磁盘原始位置读取，进而提高速度。

简单地说，Linux Swap 空间就是在内存不够的情况下，操作系统先把内存中暂时不用的数据，存到硬盘的交换空间，腾出内存来让别的程序运行，和Windows的虚拟内存（pagefile.sys）的作用是一样的。

**交换空间只是临时的解决办法。**虽然交换空间能够作为"虚拟"内存使用，但由于交换区位于磁盘上，它的速度比物理内存慢的多，因此如果需要更快的速度的话，最好的办法仍然是加大物理内存。

free(查看内存)

bash 复制代码 
# 默认单位是KiB，使用-m选项，以MiB为单位
[root@centos7 ~]# free 
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:        4026156      330460     3528844       12136      166852     3485576
Swap:       4063228           0     4063228

输出说明：

  • Mem：

    • total：物理内存空间大小。

    • used：使用的内存 (total - free - buffers - cache)。

    • free：未使用的内存空间大小(真正的空闲，未被任何程序占用)。

    • shared：多个进程共享的内存空间大小。

    • cached：从磁盘读取的数据占用的内存空间大小，待以后使用（数据没有被修改）。

    • buffers：被更改但未写回磁盘的数据占用的内存空间大小。

  • Swap:

    • total：交换空间大小。

    • used：使用的交换空间大小。

    • free：未使用交换空间大小。

Swap 空间大小

管理员应根据系统的内存工作负载来调整交换空间大小。 应用供应商 有时会提供这方面的建议。根据物理内存总量，下表提供了一些指导。

物理内存(RAM) 交换空间 允许HIBERNATE时的交换空间
2GiB或以下 两倍的RAM 三倍的RAM
2GiB和8GiB之间 同等的RAM 两倍的RAM
8GiB和64GiB之间 至少4GiB 1.5倍的RAM
64GiB以上 至少4GiB 不建议Hibernate

笔记本电脑和台式机的Hibernate功能会在关闭系统电源之前使用交换空间来保存RAM内容。重新打开系统时， 内核将从交换空间恢复RAM内容，无需完全启动。 对于这些系统而言，交换空间需要超过RAM量。

创建交换空间

bash 复制代码 
# 使用parted创建所需大小的分区并将其文件系统类型设置为linux-swap
[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb mklabel gpt
[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart data01 linux-swap 1 2049
[root@centos7 ~]# parted /dev/sdb unit MiB print

# 格式化swap空间
[root@centos7 ~]# mkswap /dev/sdb1
Setting up swapspace version 1, size = 2097148 KiB
no label, UUID=2bf4e179-3648-4412-9495-3b278df4acd6

激活 swap 空间(swapon)

bash 复制代码 
# 激活swap空间
[root@centos7 ~]# swapon /dev/sdb1

# 查看swap设备列表
[root@centos7 ~]# swapon -s
Filename				Type		Size	Used	Priority
/dev/dm-1               partition	4063228	0	    -2
/dev/sdb1               partition	2097148	0	    -3

默认情况下，多个交换空间具有相同的优先级时，系统会按顺序使用交换空间，即内核先使用第一个已激活交换空间，直至其空间已满，然后开始使用第二个交换空间。在激活交换分区的时候，可以为每个交换空间定义一个优先级，从而强制按该顺序使用交换空间。

swapon 命令使用-p选项指定优先级，优先级介于-1和32767之间，值越大优先级越高。

示例：

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# swapon -p 4 /dev/sdb1

取消 swap 空间激活

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# swapoff /dev/sdb1
[root@centos7 ~]# swapon -s
Filename				Type		Size	Used	Priority
/dev/dm-1               partition	4063228	0	    -2

持久化激活 swap 空间(/etc/fstab)

修改/etc/fstab文件，添加如下类似记录：

复制代码 
UUID=2bf4e179-3648-4412-9495-3b278df4acd6 swap swap pri=4 0 0

使用命令swapon -a激活/etc/fstab中所有交换设备。

使用命令swapoff -a取消/etc/fstab中所有交换设备激活。

bash 复制代码 
[root@centos7 ~]# swapon -a
[root@centos7 ~]# swapon -s
Filename				Type		Size	Used	Priority
/dev/dm-1               partition	4063228	0	    -2
/dev/sdb1               partition	2097148	0	    -3

[root@centos7 ~]# swapoff -a
[root@centos7 ~]# swapon -s

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