Свопинг и страничный обмен

На первых порах системы виртуальной памяти (VM) могли перемещать на диск или обратно код и данные только целого приложения, иными словами, сразу весь процесс. Этот метод называется «свопингом» (swapping) (в буквальном смысле слова — «замещением», поскольку в нем один процесс замещается другим). По этой причине область диска, отведенную для виртуальной памяти, часто называют «пространством свопинга«, даже несмотря на то, что в современных системах уже не происходит полного замещения одного процесса другим. Аналогичным образом, в качестве синонимов часто применяются термины «устройство свопинга» и «раздел свопинга», для обозначения области диска, применяемой в качестве пространства свопинга, и «файл свопинга», для обозначения обычного файла постоянной длины, используемого для подкачки.

Свопинг полезен, и для работы системы гораздо лучше, если предусмотрен хотя бы он, даже при отсутствии виртуальной памяти, но он имеет свои ограничения. Прежде всего, для него требуется размещение в памяти одновременно всего процесса, поэтому свопинг не применим, если нужно выполнить процесс, требующий больше оперативной памяти, чем установлено в системе, даже если есть много свободного пространства на диске, которое могло бы компенсировать эту нехватку.

Кроме того, свопинг часто бывает неэффективным. При его применении нужно перекачивать на диск весь процесс одновременно, даже если это требует выгрузки на диск всего объема памяти процесса, составляющего 8 Мб, лишь с той целью, чтобы освободить 2 Кб. Аналогичным образом, свопинг предусматривает загрузку в оперативную память одновременно всего процесса, даже если нужно выполнить только небольшую часть кода приложения, загружаемого в память.

Перейдем к описанию страничного обмена, который предусматривает разделение памяти системы на небольшие фрагменты — страницы, которые можно перемещать с диска и на диск независимо друг от друга. Страничный обмен аналогичен свопингу, но предусматривает большую степень детализации. Осуществление страничного обмена требует больше административных издержек по сравнению со свопингом, поскольку число страниц во много раз превышает число процессов, но позволяет достичь значительной гибкости. К тому же, страничный обмен осуществляется быстрее по нескольким причинам — одна из них состоит в том, что при страничном обмене обычно не требуется перемещать на диск или с диска весь процесс, а только те страницы, которые необходимы для выполнения запроса. Помните также, что скорость обрашения к различным устройставм памяти различается в миллион раз — необходимо любым способом избегать обращения к диску.

Как правило, страницы на каждой конкретной платформе имеют постоянный размер (например, в архитектуре х86 — 4 Кб), что позволяет упростить реализацию страничного обмена. Однако большинство современных процессоров предоставляют аппаратную поддержку страниц переменного размера, часто до 4 Мб или даже больше. Страницы переменного размера могут обеспечить более быструю и эффективную реализацию страничного обмена, но за счет дополнительного усложнения. Ядро Linux стандартного дистрибутива не поддерживает страницы переменного размера, поэтому остановимся на предположении, что страницы имеют размер 4 Кб. (Есть программные заплаты, которые поддерживают механизм обмена страниц переменного размера VSPM (variable-sized paging mechanism) процессора Cyrix, но ко времени написания этой книги они не входили в состав официального дистрибутива. К тому же, стало известно, что полученный при этом прирост производительности весьма невелик.)

Поскольку страничный обмен позволяет выполнять все Функции свопинга, но более эффективно, в современных системах типа Linux свопинг больше не применяется; строго говоря, в них применяется только страничный обмен. Но термин «свопинг» является таким привычным, что на практике термины «свопинг» и «страничный обмен» стали практически взаимозаменяемыми; в настоящей книге мы также следуем этой практике, поскольку ее придерживаются и разработчики ядра.

Система Linux может выполнять свопинг в отведенные для этого разделы диска или файлы, или одновременно и в разделы, и в файлы, в различных комбинациях. Она даже позволяет увеличивать и уменьшать пространство свопинга во время работы системы, что очень удобно, если возникает необходимость в увеличении объема пространства свопинга, но только на время, или если появляется потребность в дополнительном пространстве свопинга, но нет смысла выполнять перезагрузку системы только для того, чтобы его предоставить. Кроме того, в отличие от других разновидностей Unix, Linux может вполне обходиться и без пространства свопинга.