揭开 Linux 缺页异常的面纱 —— 探索 Page Faults 的处理过程（下）

2023-04-11 08:00:28

Swap 缺页异常：深入理解 Linux 系统内存管理

在计算机系统中，内存是至关重要的，它存储着程序和数据，使计算机能够快速访问它们。但是，内存空间是有限的，当运行多个程序或处理大量数据时，可能会出现内存不足的情况。为了解决这个问题，操作系统引入了 Swap ，一种将不经常使用的页面从物理内存换出到磁盘空间的技术。当需要这些页面时，系统会触发 Swap 缺页异常，将页面重新加载到物理内存中。

Swap 缺页异常处理

当系统检测到虚拟内存地址对应的页表项不为空，但标志位置为 0 时，表示该页不在物理内存中，但仍在 Swap 空间中。此时，系统会触发 Swap 缺页异常，并执行以下步骤：

查找对应的 Swap 区域： 通过页表项中的信息，找到对应于该虚拟内存地址的 Swap 区域。该区域包含了被换出到 Swap 空间的页数据。
将 Swap 区域读入物理内存： 系统将 Swap 区域从 Swap 空间读入物理内存中的一个空闲页面。这通常需要一些时间，因为 Swap 空间通常位于较慢的存储介质上。
更新页表： 更新页表项，将标志位置为 1，以指示该页现在位于物理内存中。同时，还会更新页表的其他信息，以反映该页的新状态。
重新执行导致缺页异常的指令： 一旦页面被读入物理内存，系统会重新执行导致缺页异常的指令。此时，指令可以成功执行，因为所需的数据现在已经位于物理内存中。

Swap 空间管理

Swap 空间通常位于一个专门的 Swap 分区或文件中。当物理内存不足时，系统会将不经常使用的页面换出到 Swap 空间，以腾出空间来存放需要加载到物理内存中的新页面。

Swap 空间的大小需要根据系统的工作负载和内存使用情况来确定。如果 Swap 空间太小，系统可能会频繁地发生缺页异常，从而降低系统的性能。另一方面，如果 Swap 空间太大，也会浪费存储空间和降低系统性能。

优化 Swap 空间的使用

为了优化 Swap 空间的使用，可以采取以下措施：

合理设置 Swap 空间大小： 根据系统的工作负载和内存使用情况，合理设置 Swap 空间的大小。避免设置过大或过小的 Swap 空间。
使用高速存储介质： 将 Swap 空间放在高速存储介质上，例如固态硬盘 (SSD)，可以减少 Swap 缺页异常的延迟。
避免频繁地换入换出： 尽量避免频繁地换入换出页面，因为这会降低系统的性能。可以使用一些内存管理技术，例如页面预取和页面锁定，来减少换入换出的次数。
使用 swapiness 参数： Linux 系统提供了一个 swapiness 参数，可以用来控制系统换入换出的行为。较低的 swapiness 值会减少换入换出的次数，而较高的 swapiness 值会增加换入换出的次数。可以根据系统的实际情况来调整 swapiness 参数的值。

总结

Swap 缺页异常是 Linux 系统中一种常见的现象。当物理内存不足时，系统会将不经常使用的页面换出到 Swap 空间，以腾出空间来存放需要加载到物理内存中的新页面。当需要访问被换出到 Swap 空间的页面时，系统会触发 Swap 缺页异常，并执行一系列步骤来将该页面读入物理内存。

通过合理设置 Swap 空间的大小、使用高速存储介质、避免频繁地换入换出以及调整 swapiness 参数，可以优化 Swap 空间的使用，提高系统的性能。

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