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1.虚拟内存和物理内存的区别linux

文章目录Swap Management（交换管理） 1、描述交换区 2、映射页表项到交换项 3、分配一个交换槽（Allocating a Swap Slot） 4、交换区高速缓存（Swap Cache） 5、Reading Pages From Backing Storage（从后援存储器读取页面） 6、Writing Pages to Backing Storage（向后援存储器写页面） 7、Reading/Writing Swap Area Blocks（读/写交换区域的块） 8、Activating a Swap Area（激活一个交换区） 9、Activating a Swap Area（禁止一个交换区）

2.深入理解Linux虚拟内存管理

Swap Management（交换管理）Linux所维护的每个活动交换区的结构以及如何在磁盘上组织交换区信息 Linux如何在页面换出后的交换区定位该页，以及如何分配交换槽 交换高速缓存（swap cache） 如何激活和禁止交换区，内存的页面如何换出道交换区又如何换入到内存，以及如何读写交换区

3.虚拟内存百度百科

1、描述交换区每一个活跃的交换区，无论是一个=文件= 或是一个=分区= ，都由swap_info_struct结构描述系统中该结构存储在一个静态声明的swap_info数组中，它有MAX_AWAPFILES（一般被定义为32个）个元素项。

4.虚拟内存 csdn

意味着系统最多运行MAX_SWAPFILES个交换区// /include/linux/swap.h /* * The in-memory structure used to track swap areas. */ struct swap_info_struct { unsigned int flags; //SWP_USED表示此swap区域处于激活状态。

5.虚拟内存与物理内存

SWAP_WRITEOK表示Linux准备对此交换区进行写操作，写之前必须激活交换区 kdev_t swap_device; //该交换区所占用的磁盘设备的信息 spinlock_t sdev_lock; //保护此结构的自旋锁，主要保护swap_map。

6.linux操作系统的虚拟内存管理包含物理内存和磁盘

swap_device_lock() and swap_device_unlock() struct dentry * swap_file; //this is the dentry for the actual special file that is mounted as a swap area.实际的特殊文件作为交换区被挂在到系统的dentry。

7.linux虚拟机内存

struct vfsmount *swap_vfsmnt; unsigned short * swap_map; //非常大的一个数组，一个项对应一个交换项一个项是该页面槽用户数量的引用计数一个PTE被换出到槽时算一个用户。

8.虚拟机虚拟内存和物理内存关系

如果计数为SWAP_MAP_MAX，将永久的分配该槽若为SWAP_MAP_BAD，将不在使用该槽 unsigned int lowest_bit; //交换区中最低的可用空闲槽 unsigned int highest_bit; //最高的可用空闲槽 unsigned int cluster_next; //下一个被使用的簇块偏移量。

9.linux 物理内存 虚拟内存

unsigned int cluster_nr; //簇中剩余的供分配的页面数量 int prio; /* swap priority */ int pages; //记录交换区中可用的页面数量 unsigned long max; //交换区中所有的页面数量 int next; //swap_info数组中用于指向系统中下一个交互去的下标 /* next entry on swap list */ };。

10.linux虚拟内存是什么

交换区同时存放在一个成为swap_list的伪链表中声明如下：struct swap_list_t { int head; /* head of priority-ordered swapfile list */ //指向最高优先级的交换区 int next; /* swapfile to be used next */ //下一个将被使用的交换区 };。

每个交换区有很多页面大小的槽，在x86上，每个页面大小为4KB第一个槽存放有交换区的基本信息，被保留且不可写该交换区的第一个1KB用于存放分区的磁盘标签，这些磁盘标签为用户空间的工具提供信息剩下的空间用于存放交换区的其他信息，当系统程序mkswap创建交换区时，这些剩下的空间被填充。

交换区的信息由一个 union swap_header表示如下：// /include/linux/swap.h /* * Magic header for a swap area. The first part of the union is * what the swap magic looks like for the old (limited to 128MB) * swap area format, the second part of the union adds – in the * old reserved area – some extra information. Note that the first * kilobyte is reserved for boot loader or disk label stuff… * * Having the magic at the end of the PAGE_SIZE makes detecting swap * areas somewhat tricky on machines that support multiple page sizes. * For 2.5 well probably want to move the magic to just beyond the * bootbits… */ union swap_header { struct { char reserved[PAGE_SIZE – 10]; char magic[10]; /* SWAP-SPACE or SWAPSPACE2 */ } magic; struct { char bootbits[1024]; /* Space for disklabel etc. */ //保留区，用于存放分区信息，如磁盘标签 unsigned int version; //交换区的版本号 unsigned int last_page; //交换区中最后一个可用页面 unsigned int nr_badpages; //交换区中一直的坏页面数 unsigned int padding[125]; //padding的值位500（125*4=500B），填充为512B（version + last_page + nr_fadpages + padding） unsigned int badpages[1]; //页面剩下的部分用于存放至多MAX_SWAP_BADPAGES个坏页槽。

系统程序mkswap打开-c开关检查交换区时，填充这些槽 } info; };

MAX_SWAP_BADPAGES是一个编译时常数，随着结构的改变而变化，但是根据当前的结构，由下面的简单公式可以知道它为637。

其中1024是bootbits的大小，512是padding的大小，10是magic字符串的大小，其中magic字符串用于鉴别交换文件的格式2、映射页表项到交换项一个页面换出时，Linux使用相应的页表项PTE存放用于再次在磁盘上定位该页的信息。

PTE不能精确存放交换页面的位置信息，但能存放交换槽所在swap_info数组的下标以及swap_map中的偏移量有这些信息足够了，这也是Linux处理方式 每一个PTE都必须大到能够存放一个swp_entry_t变量。

该变量定义如下：// /include/linux/shmem_fs.h /* * A swap entry has to fit into a “unsigned long”, as * the entry is hidden in the “index” field of the * swapper address space. * * We have to move it here, since not every user of fs.h is including * mm.h, but mm.h is including fs.h via sched .h :-/ */ typedef struct { unsigned long val; } swp_entry_t;

pte_to_swp_entry()andswp_entry_to_pte()用来做pte和swp_entry之间的转换_PAGE_PRESENT：页面常驻内存，不进行换出操作_PAGE_PROTNONE：页面常驻内存，但不可访问。

在x86架构下，位0为_PAGE_PRESENT位，位7为_PAGE_PROTNONE位位1～位6标识swap_info类型，即数组的下标，并且由SWP_TYPE()宏返回得到位8～位31代表交换区中的偏移，即swap_map中的偏移量。

在x86中，24位是有效的，offset限制了交换区的大小为64GBoffset由SWP_OFFSET()宏得到4KB * 2^24(16M) = 64GBSWP_ENTRY()宏将类型和其相应的偏移编号放到swap_entry_t中。

各个函数及宏的关系如下图所示：

type的6位表明应该允许64个交换区，而不是MAX_SWAPFILES（32）个交换区MAX_SWAPFILES的限制是由于用于管理交换区的结构体有消耗vmalloc地址空间若交换区达到最大，则swap_map的空间需要很大。

就算是只有MAX_SWAPFILES个交换区存在，就需要很大的虚拟地址空间由于用户/内核线性地址分割，这根本不可能所以不值得为支持64个交换区而增加系统复杂度某些现代机器将磁盘分为许多独立的块，在各个块之间均匀分布小的交换区，这样可以提高页面交换的并行度，对于交换密集的应用很重要。

若交换区达到最大，swap_map需要32MB（2^24 * sizeof(short)）空间MAX_SWAPFILES个最大尺寸的交换区存在时，就需要1GB的虚拟malloc空间3、分配一个交换槽（Allocating a Swap Slot）。

一个页面大小的槽由swap_info_struct->swap_map跟踪，数据元素为unsigned short在共享页面的情况下，数组中的每项都是一个槽使用者的引用计数，在空闲时为0若数值为SWAP_MAP_MAX，则对应的页将永久保留这个槽。

若数值为SWAP_MAP_BAD则对应的页将不能再使用寻找和分配一个交换项的任务分为两个步骤首先调用高层函数get_swap_page()从swap_list->next处开始寻找合适的交换区，该交换区要能够分配合适槽的槽。

一个槽寻找到之后，swap_list->next记录下一个将被使用的交换区并且返回要分配的项scan_swap_map()负责查找map它对map数组线性查找空闲的槽并返回

Linux将磁盘中SWAPFILE_CLUSTER个页组成成一个簇Linux在交换区顺序分配SWAPFILE_CLUSTER个页面，在swap_info_struct->cluster_nr中记录簇中一分配的页面数，在swap_info_struct->cluster_next中记录当前的偏移量。

一块簇分配完之后， Linux寻找一块空闲的表项，该块的大小为SWAPFILE_CLUSTER若找到一个足够大的块，系统将会把它作为另一个cluster-sized sequence记录在当前簇中的偏移量？

若在交换区中没有总够对的空闲簇，系统从swap_info_struct->lowest_bit记录的位置处进行first-free search4、交换区高速缓存（Swap Cache）Linux无法快速完成struct page到PTE（每一个引用该struct page的PTE）的映射，所以由多个进程共享的页面不能简单的换出。

This leads to the rare condition where a page that is present for one PTE and swapped out for another gets updated without being synced to disk, thereby losing the update.。

为了解决这一问题，共享页在后援存储器（backing storage）中保留一个槽作为swap cache的一部分backing storage:https://www.computerhope.com/jargon/b/backing-storage.htm。

与swap cache有关的API：

交换高速缓存是一个纯概念性的东西，它只是页面高速缓存的特殊形式交换高速缓存与页面高速缓存的一个区别是交换高速缓存使用swapper_space作为page->mapping的地址空间另一个区别是交换高速缓存中的页面通过add_to_swap_cache()加入到交换高速缓存中，不是使用add_to_page_cache()。

匿名页只有在交换出去时才是交换高速缓存的一部分系统首次写共享内存的页才把它们加入到交换高速缓存中变量swapper_space的声明如下：// /mm/swap_state.c struct address_space swapper_space = { LIST_HEAD_INIT(swapper_space.clean_pages), LIST_HEAD_INIT(swapper_space.dirty_pages), LIST_HEAD_INIT(swapper_space.locked_pages), 0, /* nrpages */ &swap_aops, };。

后援存储地址空间的swapper_space使用swap_ops作为它的address_space->a_opsstatic struct address_space_operations swap_aops = { writepage: swap_writepage, sync_page: block_sync_page, };。

页面加入到交换高速缓存中后，使用系统调用get_swap_page()来分配一个可用的交换页目录项，然后使用add_to_swap_cache()将它加入到页高速缓存中，然后把它的标志为脏数据。

如果另一个进程映射了相同的页面，或者多个进程同时在同一页面上发生故障，则该页面可能已经存在于交换缓存中。6、Writing Pages to Backing Storage（向后援存储器写页面）

7、Reading/Writing Swap Area Blocks（读/写交换区域的块）读写交换去的高层函数是rw_swap_page()此函数确保所有操作在交换高速缓存中完成以避免丢失更新rw_swap_page_base()是完成实际工作的核心函数。

8、Activating a Swap Area（激活一个交换区）sys_swapon()9、Activating a Swap Area（禁止一个交换区）sys_swapoff()原文作者： – – 内核技术中文网 – 构建全国最权威的内核技术交流分享论坛

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