Linux Swap 介绍

ゝ一纸荒年。 2022-11-13 01:58 132阅读 0赞

由于内存和磁盘的读写性能差异较大，Linux会在内存充裕时将空闲内存用于缓存磁盘数据，以提高I/O性能。相对的在内存紧张时Linux会将这些缓存回收，将脏页回写到磁盘中。而在进程的地址空间中，如heap，stack等匿名页，在磁盘上并没有对应的文件，但同样有回收到磁盘上以释放出空闲内存的需求。swap机制通过在磁盘上开辟专用的swap分区作为匿名页的backing storage，满足了这一需求。本文简要的对Linux中的swap机制进行了介绍。

# **一、swap分区** #

## **1. swap分区的创建** ##

Linux中存在两种形式的swap分区：swap disk和swap file。前者是一个专用于做swap的块设备，作为裸设备提供给swap机制操作；后者则是存放在文件系统上的一个特定文件，其实现依赖于不同的文件系统，会有所区别。

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图1 两种swap分区

通过mkswap命令可以将一个swap disk或swap file转换为swap分区的格式。随后可通过swapon和swapoff命令开启或关闭对应的swap分区。通过cat /proc/swaps或swapon -s可以查看使用中的swap分区的状态。

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图2 swap分区的创建及使用

## **2. swap的数据结构** ##

内核中使用swap\_info\_struct结构体来管理swap分区，其关键成员如下：

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一个swap\_info\_struct对应一个swap分区。如下图所示，swap分区内部会以page大小为单位划分出多个swap slot，同时通过swap\_map对每个slot的使用情况进行记录，为0代表空闲，大于0则代表该slot被map的进程数量。

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图3 swap info

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发生内存回收时，一个内存页会被回收到一个slot中，同时会修改pte内容为slot对应的swp\_entry\_t。swp\_entry\_t是一个64位的变量，其结构如下图所示，其中2-7位存放swap分区的type，8-57位存放slot在分区内的offset。内存换入时，通过pte的内容即可在磁盘上找到对应的slot。

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图4 swp\_entry\_t

# **二、swap out** #

## **1. 回收流程** ##

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内核中的内存回收流程，最终都会走到shrink\_page\_list中，该函数对page\_list链表中的内存依次处理，回收满足条件的内存。匿名页回收如下图所示，其回收需要经过两次shrink。

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图5 swap out 流程

第一次shrink时，内存页会通过add\_to\_swap分配到对应的swap slot，设置为脏页并进行回写，最后将该page加入到swapcache中，但不进行回收。

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第二次shrink时，若脏页已经回写完成，则将该page从swapcache中删除并回收。

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## **2. swap slot cache** ##

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为了提高swap slot的分配速度，内核引入了swap slot cache机制。该机制定义了一个per\_cpu的buffer，包含alloc和free两部分cache，分别用于分配和释放。

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图6 swap slot cache

## **3. ssd查找算法** ##

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为了提高swap机制在ssd设备上的性能，内核引入了swap\_cluster\_info结构体。如下图所示，每SWAPFILE\_CLUSTER个连续的slot会组合成一个cluster，内核在做内存换出时，会以cluster为单位查找空闲的slot，而不再遍历swap\_map，从而降低了锁竞争，也保证了ssd设备上的磨损均衡。

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图7 swap\_cluster\_info

# **三、swap in** #

## **1. 换入流程** ##

当换出的内存产生缺页异常时，会通过do\_swap\_page查找到磁盘上的slot，并将数据读回，其流程如下图所示。

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图8 swap in 流程

## **2. swapin\_readahead** ##

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类似于IO预读机制，swap in的流程中也实现了预读。由于SSD的随机读写能力要强于HDD，在基于物理地址的预读机制之外，内核还引入了基于VMA的预读。两种预读方式可以通过/sys/kernel/mm/swap/vma\_ra\_enabled节点进行选择。

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图9 swapin\_readahead

# **四、总结** #

本文简要介绍了Linux中的swap流程及一些优化机制。随着SSD设备的快速发展以及新型存储设备的逐步应用，swap机制的性能得到了很大改善，并带来了一些新的优化方向。

# 参考材料 #

\[1\] https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand014.html

\[2\] http://sopa.dis.ulpgc.es/ii-dso/leclinux/mm/swap/

\[3\] http://jake.dothome.co.kr/swap-1/

\[4\] https://lwn.net/Articles/704478/

\[5\] https://zhuanlan.zhihu.com/p/70964551

\[6\] https://blog.csdn.net/qkhhyga2016/article/details/88722458

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