Linux内核学习轨迹第五部： Swap交换分区机制实现（第十一小节）
11. Swap交换分区机制实现
Swap交换分区（或交换文件）是Linux内核的“虚拟内存扩展”，当系统物理内存不足时，内核会把不活跃的匿名页换出到swap分区，释放物理内存；当进程再次访问这些被换出的页时，内核会把页从swap分区换入到物理内存。
很多工程师对swap的认知停留在“扩展内存”的表层，却不理解swap的底层实现、换入换出的全流程、swap分区与交换文件的区别、swap的性能优化，最终导致系统出现swap抖动、性能下降、OOM误杀等问题。本章节基于Linux 6.6 LTS内核，完整拆解swap的核心设计、数据结构、换入换出全流程、工程调优最佳实践。
11.1 Swap的核心设计目标
- 扩展虚拟内存：当系统物理内存不足时，用磁盘空间模拟物理内存，让系统可以运行总虚拟内存超过物理内存大小的进程；
- 内存复用：把不活跃的匿名页换出到swap分区，释放物理内存，给活跃的进程使用，最大化物理内存利用率；
- 透明性：swap的换入换出对用户态进程完全透明，进程不需要知道自己的页是否被换出到swap；
- 性能优化：通过swap预读、批量换入换出、swap缓存等机制，减少swap IO的次数，提升swap的性能。
11.2 Swap的核心数据结构
11.2.1 Swap分区与交换文件的统一抽象：struct swap_info_struct
Linux内核用struct swap_info_struct统一抽象swap分区和交换文件，每个swap设备（分区或文件）对应一个swap_info_struct实例，定义在include/linux/swap.h中，核心字段拆解：
struct swap_info_struct { // swap设备的类型：SWP_FILE（交换文件）或SWP_BLKDEV（交换分区） unsigned int flags; // swap设备的优先级，范围-1~32767，值越大，越优先使用 int prio; // swap设备的总槽位数，每个槽位对应一个4KB页 unsigned long max; // swap设备的已用槽位数 unsigned long inuse_pages; // swap设备的空闲槽位位图 unsigned long *swap_map; // swap设备的锁 spinlock_t lock; // 交换文件对应的file结构体，交换分区为NULL struct file *swap_file; // 交换分区对应的block_device结构体，交换文件为NULL struct block_device *bdev; // swap缓存的address_space struct address_space *swap_space; // 换入换出的统计信息 unsigned long in_pages; unsigned long out_pages; };核心字段深度解析：
- prio：swap设备的优先级，用户可以通过swapon -p 设置，值越大，越优先使用；如果优先级相同，内核会轮询使用；
- max/inuse_pages：swap设备的总槽位数和已用槽位数，每个槽位对应一个4KB页，所以swap设备的总大小是max * 4KB；
- swap_map：空闲槽位的位图，每个bit对应一个槽位，0表示空闲，1表示已用；
- swap_space：swap缓存的address_space，和文件页的address_space类似，用于缓存从swap分区换入的页，避免重复的swap IO。
11.2.2 Swap入口地址：swp_entry_t
当一个匿名页被换出到swap分区时，内核会把该页的页表项替换为swap入口地址（swp_entry_t），swap入口地址包含两个信息：
- swap设备的编号：SWP_TYPE_SHIFT位，对应swap_info数组的索引；
- swap设备的槽位号：SWP_OFFSET_SHIFT位，对应swap设备内的槽位号。
当进程再次访问该页时，CPU会触发缺页异常，内核从页表项中提取swap入口地址，找到对应的swap设备和槽位，把页从swap分区换入到物理内存。
11.3 Swap的核心操作流程
11.3.1 Swap的换出流程（内存回收时触发）
Swap的换出流程是在内存回收时触发的，当文件页回收的数量不够，且swap充足时，内核会回收匿名页，换出到swap分区，完整执行流程：
内存回收时，选择一个匿名页，准备换出
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1. 检查页是否可以换出：
├→ 页是否被锁定（PG_locked）？如果是，跳过
├→ 页是否有多个映射（_mapcount > 0）？如果是，通过反向映射清除所有页表项
└→ 页是否是脏页？如果是，不需要回写（匿名页没有后备文件）
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2. 分配swap槽位：
├→ 遍历所有swap设备，按优先级从高到低
├→ 找到一个有空闲槽位的swap设备
├→ 从swap设备的swap_map位图中找到一个空闲槽位
├→ 标记该槽位为已用
└→ 生成swap入口地址swp_entry_t
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3. 把页写入swap分区：
├→ 调用address_space->a_ops->writepage()，提交IO请求到块层
├→ 把页加入到swap缓存的address_space->i_pages XArray中
├→ 设置页的PG_swapcache标志，标记为swap缓存页
└→ 等待IO完成（可选，内存回收时通常异步等待）
↓
4. 修改页表项：
├→ 把页表项替换为swap入口地址swp_entry_t
├→ 设置页表项的P位为0（页不存在）
└→ 刷新TLB
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5. 释放物理页：
├→ 清除页的PG_dirty/PG_active/PG_inactive标志
├→ 从MGLRU链表中移除
└→ 释放回伙伴系统
核心工程细节：
- swap缓存的作用：如果多个进程共享同一个匿名页（fork之后COW之前），换出到swap分区后，再次访问时，不需要重复从swap分区读取，直接从swap缓存中获取，提升性能；
- 异步换出：内存回收时，通常异步提交IO请求，不等待IO完成，继续回收其他页，提升回收效率；
- swap槽位的释放：当页从swap分区换入到物理内存后，swap槽位不会立即释放，而是保留在swap缓存中，直到页被修改（COW），或者swap缓存被回收。
11.3.2 Swap的换入流程（缺页异常时触发）
Swap的换入流程是在缺页异常时触发的，当进程访问的虚拟地址对应的页表项是swap入口地址时，内核会触发swap缺页异常，把页从swap分区换入到物理内存，完整执行流程：
CPU触发缺页异常，内核检查页表项，发现是swap入口地址
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1. 从页表项中提取swap入口地址swp_entry_t，找到对应的swap设备和槽位
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2. 查找swap缓存：
├→ 以swap入口地址为key，在swap设备的swap_space->i_pages XArray中查找
├→ 如果页已经在swap缓存中，且PG_uptodate=1，直接跳到步骤5，从swap缓存中获取页
└→ 如果页不在swap缓存中，或者PG_uptodate=0，进入步骤3，从swap分区读取
↓
3. 分配物理页：
├→ 调用alloc_page()分配一个空白物理页
├→ 把页加入到swap缓存的address_space->i_pages XArray中
├→ 设置页的PG_locked和PG_swapcache标志
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4. 从swap分区读取页：
├→ 调用address_space->a_ops->readpage()，提交IO请求到块层
├→ 等待磁盘IO完成，中断处理函数唤醒等待的进程
├→ IO完成后，设置页的PG_uptodate标志，清除PG_locked标志
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5. 建立页表映射：
├→ 把页表项替换为物理页的地址
├→ 设置页表项的权限位（可读、可写、用户态可访问）
├→ 刷新TLB
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6. 处理swap槽位：
├→ 如果页是只读的（多个进程共享），保留swap槽位，下次访问时直接从swap缓存获取
└→ 如果页是可写的，释放swap槽位，清除swap_map位图中的对应bit
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7. 把页加入到MGLRU链表的当前max_gen代
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8. 缺页异常处理完成，CPU重新执行触发异常的指令
核心工程细节：
- swap预读：和文件预读类似，内核会根据进程的访问模式，预读后续的swap槽位到swap缓存中，减少swap IO的次数，提升性能；
- swap缺页异常的延迟：swap缺页异常需要访问磁盘，延迟是次缺页异常的上千倍，是系统内存抖动的核心来源；
- swap槽位的复用：swap槽位释放后，会被重新分配给其他需要换出的页，swap设备的空间可以循环利用。
11.4 Swap的工程实践与避坑指南
1.Swap分区与交换文件的选型
Linux支持两种swap设备：swap分区和交换文件，两者的核心区别：
特性 | Swap分区 | 交换文件 |
性能 | 略高，直接访问块设备，不需要经过文件系统 | 略低，需要经过文件系统，有额外的开销 |
灵活性 | 低，创建/删除需要重新分区，重启系统 | 高，创建/删除只需要文件操作，不需要重启系统 |
安全性 | 高，直接访问块设备，不容易被误删 | 低，存储在文件系统中，可能被误删 |
适用场景 | 生产环境，性能要求高的场景 | 临时场景，测试环境，需要快速扩展swap的场景 |
最佳实践：生产环境优先使用swap分区，性能略高，安全性好；如果需要快速扩展swap，可以临时创建交换文件，后续再替换为swap分区。
Swap的创建与配置
1.创建swap分区：
# 1. 创建一个新的分区，类型为82（Linux swap） fdisk /dev/sdb # 2. 格式化swap分区 mkswap /dev/sdb1 # 3. 启用swap分区，设置优先级为10 swapon -p 10 /dev/sdb1 # 4. 永久启用，编辑/etc/fstab，添加以下行 /dev/sdb1 swap swap defaults,pri=10 0 02.创建交换文件：
# 1. 创建一个8GB的交换文件，块大小为1GB，共8块 dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1G count=8 # 2. 设置交换文件的权限为600，只有root可以读写 chmod 600 /swapfile # 3. 格式化交换文件 mkswap /swapfile # 4. 启用交换文件，设置优先级为5 swapon -p 5 /swapfile # 5. 永久启用，编辑/etc/fstab，添加以下行 /swapfile swap swap defaults,pri=5 0 03.查看swap配置：
# 查看swap设备的信息 swapon --show # 查看swap的使用情况 free -h cat /proc/meminfo | grep Swap2.Swap的性能优化
使用SSD作为swap设备：SSD的IOPS和吞吐量远高于机械硬盘，swap的性能会提升几十倍；
- 创建多个swap分区，分布在不同的SSD上：内核会轮询使用优先级相同的swap分区，提升swap的IO带宽；
- 调大page-cluster参数：机械硬盘调大到5（32页），合并更多的swap IO，提升性能；SSD调小到0（1页），减少不必要的IO；
- 调小swappiness参数：数据库等延迟敏感的服务，设置为0，禁止回收匿名页，避免swap缺页异常；
- 使用swap缓存：swap缓存是默认启用的，不需要额外配置，能有效减少swap IO的次数；
- 避免swap抖动：最根本的方法是扩容物理内存，让进程的工作集小于可用物理内存；如果无法扩容，调小swappiness，调大min_free_kbytes，提前触发kswapd异步回收。
3.Swap的禁用与删除
临时禁用swap：
# 禁用所有swap设备 swapoff -a # 禁用指定的swap设备 swapoff /dev/sdb1永久禁用swap：
# 编辑/etc/fstab，删除或注释掉swap相关的行 # 临时禁用swap swapoff -a删除交换文件：
# 1. 禁用交换文件 swapoff /swapfile # 2. 删除交换文件 rm /swapfile # 3. 编辑/etc/fstab，删除交换文件相关的行删除swap分区：
# 1. 禁用swap分区 swapoff /dev/sdb1 # 2. 删除swap分区 fdisk /dev/sdb # 3. 编辑/etc/fstab，删除swap分区相关的行4.避坑指南
- 不要在机械硬盘上创建过大的swap分区：机械硬盘的IO性能很差，过大的swap分区会导致系统出现严重的swap抖动；
- 不要把swap分区和数据分区放在同一个磁盘上：swap IO和数据IO会竞争磁盘带宽，导致两者的性能都下降；
- 不要在生产环境频繁启用/禁用swap：频繁启用/禁用swap会导致系统的内存管理出现混乱，甚至触发OOM；
- 不要把swappiness设置为0后，完全依赖物理内存：如果物理内存不足，系统会直接触发OOM，杀死进程，没有任何缓冲；建议设置为10，优先回收文件页，保留少量的swap作为缓冲。