按需加载与交换空间
复习
- TLB：给频繁的地址转换加一层缓存
- 多级页表：页表本身太大时如何按需展开
- 缺页异常：访问的页面不在内存时 CPU 和内核怎样配合
TL;DR
- 按需加载：只把眼下需要的页放进内存，其余留在磁盘
- 磁盘上留出一块交换空间，专门存放暂时不用的页
- 内存紧张时，把一些页换出到交换空间，需要时再换入
- 靠这一进一出，程序才能“用着比实际内存更大的空间”
正文
上一章的缺页异常，已经暗示了一件事：页可以不在内存。这一章把这个思路讲透：内存里只放需要的页，其余的留在磁盘上。
为什么可以“偷懒”
启动一个程序时，真的需要把它的所有代码和数据都读进内存吗？
大多数情况下并不需要。程序里很多代码只在特定分支才会执行，很多数据可能整场运行都用不到。如果一开始就全部加载，既慢又占地方。
于是有了按需加载（demand loading）：一开始只装入必要的一部分，其余等真正访问到时，再靠缺页异常一页一页地补进来。用到才给，不用就不给。
交换空间
可内存总有装满的时候。要腾地方，就得有地方存放被请出去、又没被删掉的页。这个“仓库”，就是磁盘上的一块交换空间（swap space）。
- 换出（swap out）：把暂时不用的页，从内存写到交换空间
- 换入（swap in）：等再次用到它时，从交换空间读回内存
物理内存 交换空间（磁盘）
┌────────┐ ┌────────┐
│ 常用页 │ ←换入/换出→ │ 冷门页 │
└────────┘ └────────┘
一个宏大的错觉
把“按需加载”和“交换”合在一起看，效果就出来了：
- 进程的地址空间可以比实际物理内存大得多
- 内存里只留正在用的那部分，冷的页放去交换空间
- 需要时再换回来，程序几乎察觉不到
于是程序真的会“以为”自己拥有一大片内存，而机器只有那么点物理内存——这个虚拟内存的错觉，到这里才算完整。
不过，内存满了到底该把哪一页请出去？随便挑可不行，选不好会让程序频繁缺页、越跑越慢。下一章，我们专门讨论“换出谁”的问题。
思考题
交换空间在磁盘上，磁盘比内存慢成千上万倍。既然换入换出这么慢，为什么虚拟内存还能让程序跑得动？
小结
知识点
- 按需加载：用到才把页读进内存
- 交换空间：磁盘上存放暂时不用的页
- 换出与换入
- 让程序可用空间大于物理内存
参考资料
- Wikipedia(zh)：虚拟内存：按需分页与交换
- Wikipedia(zh)：交换空间：swap
思考题答案（仅供参考）
因为程序访问内存有局部性：在一段时间里，它反复用到的只是少数页。这些“热”页留在内存里，绝大多数访问根本碰不到交换空间，速度不受影响；只有偶尔访问到“冷”页时，才需要从磁盘换入，慢那么一下。换句话说，交换是“兜底”，局部性让这个兜底很少被触发。相反，如果程序毫无局部性、频繁触碰大量页，就会不停换入换出，慢到无法忍受——这正是下一章“内存抖动”要讲的。
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设计师 | 南国微雪