17、Linux内存交换与页面回收机制解析
Linux内存交换与页面回收机制解析
1. 交换机制概述
交换机制主要有两个目的：一是扩展进程实际可用的地址空间，二是增加动态RAM的容量以加载进程。例如，当程序的数据结构所需空间超过可用RAM大小时，交换区能让程序正常加载运行；当用户同时运行多个大内存应用程序时，交换区可让内核启动新应用。
不过，交换机制也有弊端。模拟RAM的性能远不如实际的RAM，进程访问被交换出去的页面会大幅增加执行时间。因此，若对性能要求较高，应尽量避免使用交换机制，增加RAM芯片是更好的解决方案。但在某些情况下，交换机制对整个系统有益，例如长时间运行的进程通常只访问一半的页框，将未使用的页面交换出去并将RAM用于磁盘缓存，可提高系统整体性能。
早期的Unix系统内核会持续监控空闲内存量，当低于固定阈值时，会将整个进程的地址空间复制到磁盘。现代Unix内核（如Linux）则采用页面级交换，而非进程地址空间级交换。这得益于CPU中的硬件分页单元，每个页表项包含一个Present标志，内核可利用该标志向硬件表明进程地址空间中的页面已被交换出去，还可利用页表项的其他位存储交换出去的页面在磁盘上的位置。
1.1 交换相关的四个关键问题
1.1.1 交换哪些页面
交换仅适用于以下几种页面：
- 属于进程匿名内存区域的页面（如用户模式栈）
- 属于进程私有内存映射的已修改页面
- 属于IPC共享内存区域的页面
其他页面要么由内核使用，要么用于映射磁盘上的文件。前者因简化内核设计而被交换机制忽略，后者的最佳交换区就是文件本身。