Linux Swap 介绍

内核工匠 2021-07-27

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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。

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。

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：

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。

图3 swap info

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。

图4 swp_entry_t

二、swap out

1. 回收流程

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。

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。

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。

2. swap slot cache

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。

图6 swap slot cache

3. ssd查找算法

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。

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。

图8 swap in 流程

2. swapin_readahead

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。

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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