操作系统导论习题解答（21. Swapping: Mechanisms）

Beyond Physical Memory: Mechanisms

效率就是金钱。为了提高效率，一台计算机肯定不能一次只运行一个程序，而是一次运行多个程序。但是这样的话，page肯定不能全部存在内存中，所以就需要将page存在磁盘中。

1. Swap Space

首先我们要做的就是在磁盘中预留出一些空间给page，方便page存入和取出，这样的空间就叫做交换空间（swap space）。
OS要对磁盘中的page进行读和写，那么肯定要知道每个page对应的磁盘地址吧。
磁盘中交换空间的大小应该很重要吧，这就决定了每次能够进行多少个page交换（进程运行）。
下图所示4页物理内存，8页交换空间：

上图表明，进程0、1、2共享物理内存。这三个中的每个仅在内存中有一些有效page，其余都位于磁盘的交换空间中。进程3没有运行，所有page都在磁盘的交换空间中。

2. The Present Bit

我们需要present bit来表示是否所需要的page存在于物理内存中。present bit = 1，表示存在；present bit = 0，表示不存在（发生page fault）。
对于page fault，OS有个专门处理这个情况的page-fault handler。

3. The Page Fault

当OS收到一个page的page fault时，它会在PTE中查找地址，然后向磁盘发出请求以将该页面读取到内存中。磁盘I/O完成后，OS将更新page table标记page存在，更新PTE的PFN字段以记录新获取的page在内存中的位置。（注意：当I/O正在运行时，该过程处于阻塞状态。OS可以在为page fault提供服务时自由运行其他准备就绪的进程。）

其实我们在前面就说过，硬件设计者很不愿意相信OS可以完成所有事情。但是为什么对于page fault，硬件设计师他们相信OS会很好的处理它呢？
原因有以下几点：

1. 磁盘的page fault很慢。即使OS也需要很长时间来处理故障，执行大量指令，磁盘操作本身在传统上就很缓慢，所以如果硬件处理page fault的话，效率极其低下。
2. 为了能够处理page fault，硬件就必须了解交换空间，这又增加了硬件的设计复杂性。

故出于性能和简便性的考虑，OS处理page fault。

4. What If Memory Is Full?

我们上面所说的都是基于足够的内存空间，但是如果内存空间满了呢？
我们从磁盘中调用新的page加入到内存空间中就需要移出内存空间中的一个page。这就需要page-replacement policy（需要非常小心，移除错误的page可能会导致程序性能损失巨大）。

5. Page Fault Control Flow

6. When Replacements Really Occur

为了使少量内存可用，大多数OS具有某种 high watermark （HW）和 low watermark （LW）。工作方式如下：当OS注意到可用的page少于LW时，将运行负责释放内存的后台进程。该进程逐出page，直到有可用的HW为止。随后该后台进程进入休眠状态。

通过一次执行许多page替换（许多系统将多个页面分成集群或分组并将它们立即写入交换空间），磁盘的效率得到提高，新的性能优化成为可能。