一、Swap 是什么

在被换出的页上，页表项的 P 位改成 0，原来的物理页被腾出来给别人用；内容写到磁盘上的交换区。 下次访问这一页：又触发缺页，内核从交换区读回来，填好页表。 所以 Swap 不是【扩大内存】，是【把内存里最不常用的部分暂存到磁盘】。 它的代价是【访问那一页从纳秒变成毫秒】——慢了六个数量级。

二、帧数决定缺页率

八个页、冷热不均地访问一千次：帧 1 缺页 807 次、帧 2 缺 593 次、帧 4 缺 289 次、帧 8 缺 8 次。 帧越少缺得越多，但降到 8 次就降不动了。 因为那 8 次是【每个页第一次访问】——叫强制缺页，谁也免不了。 能省的只有【重复访问】那一部分，而重复访问要靠帧装得下工作集。 所以【加大内存】能解决的是缺页率里【可省的那一部分】，不是全部。

三、有 Swap 和没 Swap

稍微超一点：有 Swap 就换出几页，活还能干完；没 Swap 就只能回收缓存。 超太多：没 Swap 就是 OOM Killer（快死）；有 Swap 就是反复换入换出（慢死）。 所以【有 Swap 更安全】只在【轻度超额】时成立。重度超额时，有 Swap 往往更难受——磁盘一直转，什么请求都要等几秒。 这就是【抖动（thrashing）】：系统的全部时间都花在换页上，不干正事。

四、挑哪一页换出去

FIFO：换最早进来的——问题是最早的可能还在用。 LRU：换最久没访问的——听起来对，但要记每个页的访问时间，太贵。 时钟（clock）：LRU 的近似——给每页一个【用过】标志，指针转一圈，遇到用过就清零、遇到没用过就换出去。 Linux 用的是近似 LRU：它不追求挑得最准，只求挑得快。 这又是那个熟悉的取舍：精确的代价往往比不精确的损失还大。

五、动手 Demo：Swap——内存不够时，把不用的页挪出去

这一节用一个 LRU 模拟器，把【物理帧数】当成变量，看缺页率怎么变，以及为什么它降不到零。

def lru(seq, frames):
    mem, faults = [], 0
    for p in seq:
        if p in mem:
            mem.remove(p)
            mem.append(p)
        else:
            faults += 1
            if len(mem) >= frames:
                mem.pop(0)
            mem.append(p)
    return faults

for f in (1, 2, 4, 8):
    print(f, "帧", lru(seq, f), "次缺页")

实跑输出：

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Swap——内存不够时，把不用的页挪出去
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① 1000 次访问，8 个页，冷热不均（前两个页占一半多）

  物理帧数     缺页次数     缺页率
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  1            807 次       80.7%
  2            593 次       59.3%
  4            289 次       28.9%
  8            8 次         0.8%

  **帧越少缺页越多，但降到 8 次就降不动了**——
  **因为那 8 次是【每个页第一次访问】，谁也免不了（叫强制缺页）。**
  **能省的只有【重复访问】那一部分，而重复访问要靠帧装得下工作集。**

② 有 Swap 和没 Swap，结局不一样

  情况                  内核怎么办                 用户感觉到什么
  ------------------------------------------------------------------
  有 Swap，稍微超了     换出最久没用的页           变慢，但活干完了
  没 Swap，稍微超了     只能回收缓存               磁盘 IO 变多
  没 Swap，超太多       OOM Killer                 进程直接没了
  有 Swap，超太多       换出太多，反复换入换出     **系统假死**

  **最后一行最坑**：**内存严重不够时，有 Swap 反而不如没有。**
  **因为它在【慢死】和【快死】之间选了慢死。**

③ 挑哪一页换出去

  算法              挑谁             问题
  ----------------------------------------------------------
  FIFO              最早进来的       可能换掉正在用的
  LRU               最久没用过的     要记访问时间，贵
  时钟（clock）     LRU 的近似       精确度差一点，便宜很多

  **Linux 用的是近似 LRU**——它不追求挑得最准，只求挑得快。

帧 1 缺 807 次、帧 8 缺 8 次——差两个数量级。 但帧 8 那 8 次是【每个页第一次访问】，再怎么加帧也降不到 0。 所以【内存不够】的判据不是【有没有缺页】，是【缺页率是不是一直很高】。 注意帧 4 就已经只有 28.9% 了——这说明【多给一点内存】的收益是递减的，不是线性的。 这也解释了【加到 32 GB 之后为什么没感觉】：因为可省的那部分早就省完了，剩下的全是强制缺页。

📋 Linux 上看有没有在换页：vmstat 1 的 si（换入）与 so（换出）两列——长期非零就是在换页，系统已经在拿磁盘当内存用。

30 秒实验

1. vmstat 1 5，看 si 与 so 两列是不是 0。
2. free -h，看 Swap 那一行的 used 是多少。
3. cat /proc/sys/vm/swappiness，看内核有多愿意换出（默认 60，数据库常调低）。

常见误区

1. 【Swap 是用来扩大内存的】。它是把不常用的页暂存到磁盘，访问那些页会慢六个数量级。
2. 【有 Swap 就比没 Swap 安全】。只在轻度超额时成立；重度超额时抖动比 OOM 更难受。
3. 【缺页率高就是内存不够】。还有强制缺页这一部分，加内存也降不掉。

• ☐ 5.16 多级页表

相关笔记

• 内存不足 — 三步顺序里的第二步
• 请求分页 — 缺页的另一半原因
• 页面缓存 — 换入换出的对手
• 🐧 Linux是怎样工作的 · 索引