Problemy z plikiem wymiany SWAP przy hibernacji linux'a

Po wyjaśnieniu paru rzeczy w kwestii przestrzeni wymiany, a konkretnie [co jest lepsze: plik SWAP czy osobna partycja]({{ site.baseurl }}/post/czy-w-linux-plik-swap-jest-lepszy-niz-partycja-wymiany/), postanowiłem nieco zmienić układ partycji na dysku mojego laptopa (LUKS+LVM) i zaimplementować sobie przestrzeń wymiany w postaci pliku SWAP. Standardowo jednak plik SWAP nie działa w przypadku hibernacji linux'a i kernel ma problemy z wybudzeniem maszyny z głębokiego snu. Jeśli zamierzamy korzystać z hibernacji, to trzeba inaczej skonfigurować system, by nauczyć go korzystać z przestrzeni wymiany w postaci pliku. W tym artykule rzucimy sobie okiem na ten niezbyt skomplikowany proces.

Przygotowanie partycji / pod plik SWAP

W zależności od tego czy startujemy ze świeżym systemem plików czy mamy aktualnie już wgrany system operacyjny, trzeba nieco inaczej podejść do zadania tworzenia przestrzeni wymiany. Może i fragmentacja pliku SWAP aż tak nie wpłynie na wydajność systemu ale części tego dużego pliku lepiej jest mieć jak najbliżej siebie.

Plik SWAP będziemy tworzyć na partycji / i najlepiej jest zacząć od sprawdzenia jak prezentuje się aktualnie fragmentacja wolnej przestrzeni tego systemu plików w e2freefrag . U mnie wygląda ona następująco:

# e2freefrag /dev/mapper/wd_black_label-root
Device: /dev/mapper/wd_black_label-root
Blocksize: 4096 bytes
Total blocks: 7864320
Free blocks: 4175483 (53.1%)

Min. free extent: 4 KB
Max. free extent: 85632 KB
Avg. free extent: 596 KB
Num. free extent: 27934

HISTOGRAM OF FREE EXTENT SIZES:
Extent Size Range :  Free extents   Free Blocks  Percent
   4K...    8K-  :          5767          5767    0.14%
   8K...   16K-  :          3749          8890    0.21%
  16K...   32K-  :          2560         13146    0.31%
  32K...   64K-  :          4138         49365    1.18%
  64K...  128K-  :          3109         73707    1.77%
 128K...  256K-  :          1435         66024    1.58%
 256K...  512K-  :          1446        131012    3.14%
 512K... 1024K-  :          1492        269814    6.46%
   1M...    2M-  :          1934        703334   16.84%
   2M...    4M-  :          1409        968281   23.19%
   4M...    8M-  :           617        843599   20.20%
   8M...   16M-  :           200        524080   12.55%
  16M...   32M-  :            61        321823    7.71%
  32M...   64M-  :            15        158138    3.79%
  64M...  128M-  :             2         38503    0.92%

W tym przypadku utworzenie pliku o rozmiarze 4 GiB skutkowało jego dość mocną fragmentacją, bo zostało utworzonych ponad 800 kawałków rozrzuconych na obszarze 30 GiB. No jednak to trochę dużo. Nie było innej opcji jak przeniesienie zawartość partycji / na inny nośnik i dopiero po takim opróżnieniu systemu plików można było stworzyć w nim plik SWAP, którego struktura była w miarę ciągła. Pliki systemu oczywiście trzeba było przerzucić z powrotem.

Jeśli na partycji / mamy kilka większych wolnych zakresów bloków, to możemy spróbować utworzyć na niej plik wymiany bez zawracania sobie głowy fragmentacją. Nie ma co przesadzać też z wielkością pliku SWAP. Tak 4-6 GiB powinno nam w zupełności wystarczyć. Lepiej jest jednak też za w czasu przemyśleć rozmiar tego pliku, tak by nie zrobić go za małego. Oczywiście w późniejszym czasie będzie można ten plik powiększyć lub też dorobić drugi.

Tworzenie pliku wymiany

Plik SWAP możemy utworzyć przy pomocy dd lub też zaprzęgnąć do pracy fallocate . To drugie rozwiązanie praktycznie od razu nam stworzy nawet i bardzo dużych rozmiarów pliki, co może nam zaoszczędzić trochę czasu w przypadku, gdy go nie mamy za dużo. Poniżej przykłady zastosowania obu narzędzi:

# fallocate -l 4g /swapfile

# dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=16M count=256

Czasami tworząc duże pliki, i to nawet w zupełnie pustym systemie plików, może dojść do ich większej lub mniejsze fragmentacji. Poniżej przykład:

# filefrag /swapfile
Filesystem type is: ef53
File size of /swapfile is 4294967296 (1048576 blocks of 4096 bytes)
/swapfile: 72 extents found

No niby pusty system plików, a i tak plik o rozmiarze 4G został pocięty na 72 kawałki. Jak ten ext4 tworzy te pliki, to chyba tylko on wie. Można oczywiście ten plik zdefragmentować chwilę po jego utworzeniu i odzyskać sporo zakresów:

# e4defrag -v /swapfile

W takim pliku musimy utworzyć przestrzeń wymiany za pomocą mkswap :

# chmod 600 /swapfile
# mkswap /swapfile
Setting up swapspace version 1, size = 4 GiB (4294963200 bytes)
no label, UUID=d40e356e-dec4-4f23-97f9-40963128fe20

Ten UUID widoczny wyżej do niczego nam się nie przyda i można na niego w ogóle nie zwracać uwagi.

Dodajmy jeszcze stosowny wpis do pliku /etc/fstab , komentując przy tym linijkę zawierającą konfigurację dla partycji wymiany:

#UUID=7770d2c3-0542-43b9-9f3e-dcadc6f25004	swap		swap	defaults,pri=10 0 0
/swapfile									swap		swap	defaults 0 0

Jeśli wszystko poszło dobrze, to powinniśmy być w stanie aktywować przestrzeń wymiany przy pomocy swapon :

# swapon -a

# swapon --show
NAME      TYPE SIZE  USED PRIO
/swapfile file   4G 14.3M   -2

Działający plik SWAP to nie koniec zabawy. Musimy jeszcze nauczyć system jak odczytać ten plik podczas wybudzania maszyny ze stanu hibernacji.

Dlaczego linux ma problemy z odhibernowaniem się z pliku SWAP

By linux był w stanie wybudzić system ze stanu hibernacji musi znaleźć i załadować obraz pamięci, który został stworzony przed wyłączeniem komputera. Standardowo taki obraz jest umieszczany na partycji wymiany. Położenie obrazu pamięci było zawsze znane, bo znajdował się on zaraz na początku partycji. W takiej sytuacji wystarczyło podać urządzenie/partycje, z której kernel linux'a ma odczytać obraz pamięci i to wszystko czego od nas wymagano przy konfiguracji systemu pod kątem hibernacji.

W przypadku pliku SWAP sprawa wygląda nieco bardziej skomplikowanie, bo plik umieszczony w systemie plików może znajdować się praktycznie w dowolnym miejscu partycji. Linux zatem nie wie, w którym miejscu ten plik SWAP figuruje, a jeśli nie zna jego lokalizacji, to logiczne jest, że ma on problemy z załadowaniem obrazu pamięci. Mimo wszystko zahibernować system się da bez problemu ale podczas startu komputera, kernel uzna, że obrazu pamięci nie ma i zainicjuje standardową procedurę startu.

By poradzić sobie z tym problemem, musimy odszukać offset pliku SWAP i podać go kernelowi.

Jak ustalić offset pliku SWAP na potrzeby hibernacji

Są w zasadzie dwa sposoby na skonfigurowanie hibernacji w pliku SWAP. Pierwszy z nich zakłada przeprowadzenie wszystkich operacji ręcznie. W drugim zaś można zaprzęgnąć do pracy narzędzia z pakietu uswsusp . My tutaj skupimy się na tym pierwszym rozwiązaniu.

Offset pliku SWAP, którego poszukujemy, musi być podany względem systemu plików, w obrębie którego ten plik się znajduje. Możemy skorzystać z kilku narzędzi, np. debugfs , czy też widoczny wyżej filefrag . Rzućmy okiem na wyjście filefrag'a :

# filefrag -ve /swapfile
Filesystem type is: ef53
File size of /swapfile is 4294967296 (1048576 blocks of 4096 bytes)
 ext:     logical_offset:        physical_offset: length:   expected: flags:
   0:        0..   32767:   58396672..  58429439:  32768:
...

Interesuje nas tutaj jedynie zakres 0 . W kolumnie physical_offset mamy zaś numerek wskazujący na 58396672 i to jest nasz offset, który musimy podać kernelowi.

Plik /etc/initramfs-tools/conf.d/resume

W dystrybucji Debian, do konfiguracji hibernacji używa się pliku /etc/initramfs-tools/conf.d/resume . Nie możemy jednak podać w nim wyżej odnalezionego offsetu. Przynajmniej mi się tego nie udało zrobić. W tym pliku znajduje się zmienna $RESUME , która przyjmuje wartość ścieżki do partycji wymiany. My z tej partycji wymiany korzystać nie będziemy, zatem przydałoby się wykomentować ten wpis:

#RESUME=/dev/mapper/wd_black_label-swap

Parametry kernela resume= oraz resume_offset=

Ostatnim krokiem konfiguracji hibernacji linux'a jest dodanie dwóch parametrów, tj. resume= oraz resume_offset= bezpośrednio w linijce kernela w konfiguracji bootloader'a, przykładowo

APPEND root=/dev/mapper/wd_black_label-root ... resume=/dev/mapper/wd_black_label-root resume_offset=58396672 ...

Parametr resume= może zawierać ścieżkę do urządzenia lub UUID partycji, na której znajduje się plik wymiany. Natomiast parametr resume_offset= określa offset pliku SWAP uzyskany wcześniej.

Aktualizacja obrazu initramfs/initrd

Po dokonaniu wszystkich tych wyżej wymienionych zmian musimy na nowo wygenerować obraz initramfs/initrd :

# update-initramfs -u -k all

No i to w zasadzie wszystkie kroki, które trzeba poczynić, by skonfigurować w systemie plik SWAP na potrzeby odhibernowania linux'a.

Zastosowanie uswsusp

Dla mnie ten wyżej opisany sposób konfiguracji pliku SWAP na potrzeby hibernacji jest bardzo przejrzysty i prosty do implementacji. Niemniej jednak, można też skorzystać z narzędzi zawartych w pakiecie uswsusp . Opis jak tego dokonać można znaleźć np. tutaj ale patrząc po jego stopniu skomplikowania i krokach, które trzeba poczynić, wydaje mi się, że ten manualny sposób przedstawiony w niniejszym artykule jest nieco lepszym rozwiązaniem, no i nie potrzebne nam jest w zasadzie żadne dodatkowe oprogramowanie.

Pełne szyfrowanie dysku, a SWAP w pliku

Wydawać się może, że w przypadku wykorzystywania pełnego szyfrowania dysku, taka opcja trzymania przestrzeni wymiany w pliku dyskwalifikuje nas i możemy o niej zapomnieć. Nic bardziej mylnego, bo plik SWAP działa dobrze nawet na LVM osadzonym w kontenerze LUKS i system się bez problemu hibernuje i wybudza, tak jak to ma miejsce w przypadku zwykłej partycji wymiany.

Co ciekawe, jeśli ktoś nie korzysta z pełnego szyfrowania dysku, to mógłby się bardziej zainteresować tym pakietem uswsusp , bo jest on w stanie zaszyfrować samą przestrzeń wymiany i później przy podnoszeniu systemu trzeba będzie podać hasło, by snapshot pamięci RAM z pliku SWAP wydobyć. Oczywiście to tylko tak na marginesie, bo ja jednak wolę FDE i mieć wszystko pod hasłem.