趣云笔记
内存交换（Memory Swapping）是一项流行的技术，有助于提高操作系统的性能。通过这个过程，操作系统可以根据需要在物理内存和虚拟内存之间高效地切换。 由于物理内存（RAM）主要用于操作进程，因此并不总是足以始终处理所有负载。有时候，它会耗尽，因此需要额外的内存来运行应用程序和进程。
内存交换可以提供帮助，因为该技术通过组合物理内存和硬盘空间来创建更大的虚拟地址空间。未使用的内存内容被交换到磁盘空间，稍后可以恢复。结果，物理内存变得空闲并且可以运行其它操作。
内存交换是如何工作的？
内存交换就是内存的交换，此过程的主要目标是提高主内存的利用率。
在操作系统中，进程基于基于优先级的抢占式调度来运行。当需要执行更高优先级的任务时，主存中必须有可用空间来执行。因此，系统使用虚拟内存和存储空间作为附加资源。它有助于更快地执行流程和高效的数据分析。
存储磁盘空间在功能上相当于内存存储执行空间。该存储设备空间称为“交换空间”。从物理RAM换出的进程在此交换空间中运行。 默认情况下，操作系统或虚拟机管理程序管理内存交换过程。但是，如果需要，用户可以选择禁用此功能。
当物理RAM完全用完时，并且其他进程和应用程序需要空间来运行，内存交换过程就会启动。操作系统自动管理这一点，并通过将物理内存空间映射到交换空间来形成虚拟内存容量（非物理RAM）。
因此，整个过程背后的主要目标是提供比计算机硬件实际拥有的更多的可用内存。用户可以将内存扩展到存储磁盘空间。这会产生高效的内存管理系统，同时确保稳定性。
什么是交换空间或交换文件？
计算机上的物理内存是足够的，但大多数时候，我们需要更多的空间。所以我们交换磁盘上的一些内存。硬盘驱动器的交换空间可替代物理内存，它保存进程内存中的图像并用作虚拟内存。 当计算机的物理内存耗尽时，它会利用虚拟内存将数据存储在磁盘上。计算机的操作系统使用交换空间使设备看起来拥有比实际更多内存。
交换是虚拟内存和物理内存之间交换数据的过程，“交换空间”是指用于此交换的磁盘空间。运行的进程可以使用虚拟内存，它是RAM和磁盘空间的组合。当RAM达到最大容量时，交换空间（存储在硬盘驱动器上的一块虚拟内存）就会被消耗。
当系统内存不足时，一个称为交换文件的系统文件会在固态驱动器或硬盘上生成临时存储空间。该文件将通过交换不活动应用程序的一部分RAM来为其他正在运行的程序释放内存。用户可以根据需要调整Windows、Linux等操作系统提供的默认交换空间大小。如果用户不想使用虚拟内存，可以简单地完全关闭它。
当然，如果关闭了虚拟内存，一旦物理了内存耗尽了，内核将杀死一些正在运行的进程以释放足够的物理内存。所以，决定使用交换空间完全取决于用户。
内存交换的优点
内存交换有几个好处，包括优化系统、增强其多任务能力以及确定连续运行进程的优先级。以下是内存交换的一些优点：
- 最大内存利用率：交换可以释放内存并支持更多应用程序的无缝运行。交换文件保证每个程序都有自己的专用内存，从而提高整体性能。
- 连续操作：基于优先级的进程调度可能会使用交换方法，该方法涉及用高优先级进程替换低优先级活动，以最大限度地减少操作中断。
- 系统优化：通过交换，CPU可以同时执行许多任务，从而减少程序必须等待运行的时间。因此，CPU更容易控制单个主存储器中的多个进程。
- 增强的多任务处理：内存交换还可以使更多程序同时运行并有效地使用RAM，从而有助于提高多道程序设计的水平。
内存交换的局限性
内存交换也有一些缺点，包括性能滞后、容量限制和信息丢失。以下是内存交换的一些潜在缺点：
- 性能：当由内存交换触发时，磁盘存储空间无法提供与用于进程执行的实际RAM相同的性能。
- 磁盘限制：存储介质的可靠性和可访问性有助于交换文件，这可能不如系统内存可靠。
- 容量：操作系统或管理程序分配的交换空间限制了可以交换的内存量。
- 信息丢失：如果计算机系统在密集交换期间断电，用户可能会丢失所有与程序相关的信息。
- 增加页面错误：如果交换技术低于标准，复合方法可能会导致更多页面错误并降低处理速度。
内存交换如何提高性能？
内存管理交换的主要目标是提供比计算机硬件支持的更多内存。有时可能会分配物理内存，而进程仍需要更多内存。 内存交换允许操作系统及其用户将内存扩展到磁盘，而不是将系统限制为仅基于物理 RAM 的内存。
操作系统或管理程序监督内存交换过程。交换通常默认打开，但用户可以选择将其关闭。操作系统自动控制实际的内存交换过程和交换文件的构造。 它会在必要时启动，因为进程和应用程序会占用物理RAM并且需要更多空间。当需要额外的RAM时，物理内存页的状态会转换为交换空间，从而实现虚拟（与物理RAM相对）内存容量。
内存交换示例
交换是进程的交换。此外，在进程交换中采用基于优先级的抢占式调度。这意味着当优先级较高的进程进入系统时，内存管理会暂时将优先级最低的进程切换到磁盘，并执行主存中优先级最高的进程。 最高优先级进程完成后，较低优先级进程将切换回内存并继续运行。这种技术称为滚入/滚出。
如果在加载期间发生地址绑定，则从主内存分页出的进程在分页回主内存时将占用相同的地址空间。如果它具有运行时绑定，则将实时确定地址，从而允许进程利用主内存中的任何地址空间。
当进程切入和切出时，内存中会出现多个漏洞。为了处理这些空洞，通过组合空洞来创建大的内存空间。尽可能向下移动每个过程可以做到这一点。此过程称为压缩，很少应用，因为它需要更高的CPU时间。
例如，如果有40+20+20K的空闲空间，这个空间是可用的，但不是全部。因此，交换将通过压缩创建80K的空间。
内存交换和分页有什么区别？
交换是将进程暂时从主存移动到辅助存储器的过程，速度比辅助存储器快。但是，由于RAM容量有限，休眠进程会移至辅助内存。 此外，内存分页是一种内存分配过程，其中几个不连续的内存块被分配固定大小的分配。通常，大小为4KB。分页始终发生在当前活动的页面之间。
以下是操作系统中分页和交换之间的一些主要区别：
- 称为分页的内存管理技术使系统能够从辅助存储器存储和检索数据以在主存储器中使用。然而，交换会暂时将进程从主内存移动到辅助内存。
- 分页传输页面，使其比交换更具适应性，而交换提供的灵活性较低。
- 交换时，许多任务都在主内存中运行。然而，当分页时，一些进程正在主内存中运行。
- 在主内存和辅助内存之间交换的过程称为交换。相比之下，页面是大小相同的内存块，在分页期间在主内存和辅助内存之间移动。
- 交换可加快CPU对进程的访问速度。另一方面，虚拟内存可以与分页一起使用。
- 交换非常适合繁重的工作负载。另一方面，分页适用于轻到中等的工作负载。
- 使用交换可以实现多道程序设计。进程的物理地址空间可以与分页不连续，这可以防止外部碎片。
内存分页和交换在多种情况下被并列比较，以下是两者之间的一些主要区别：
| 特征 | 分页 | 交换 |
|---|---|---|
| 定义 | 它是一种管理内存的技术，使计算机能够在辅助存储器中存储和检索数据以在RAM中使用。 | 进程暂时从主内存移动到辅助内存。 |
| 特点 | 由于分页，进程的内存地址空间可能是不连续的。 | 交换允许操作系统有效地同时运行多个程序。 |
| 灵活性 | 由于仅移动进程的页面，因此分页更加灵活。 | 因为交换在RAM和后台存储之间来回切换整个过程，所以它的适应性较差。 |
| 功能 | 页是在分页期间在主存储器和辅助存储器之间传输的相同大小的存储器块。 | 交换的进程在主内存和辅助内存之间来回移动。 |
| 多进程 | 由于分页，更多进程可以在主内存中运行。 | 与分页相比，交换允许在主内存中执行更少的应用程序。 |
| 负载 | 对于轻到中度的工作负载，分页是合适的。 | 繁重的工作负载适合交换。 |
| 使用 | 虚拟内存可以与分页一起使用。 | 由于交换，CPU可以更快地访问进程。 |
| 进程 | 通过分页，一些程序在主内存中运行。 | 交换时，许多进程都在主内存中运行。 |
总结
操作系统的交换功能通过暂时将停止或不活动的进程从主内存移动到辅助内存来保持正确的内存使用。其主要优点之一是交换技术能够正确利用RAM并保证所有进程的内存可用性。此外，交换技术对系统的性能有着比较大的影响。如果操作正确，交换可以非常有效地保持机器平稳运行。但是，如果操作不当，可能会导致性能下降甚至系统故障。
在云服务器中，内存交换可以发挥以下作用：
- 扩展虚拟机内存：当云服务器上的虚拟机（Virtual Machine，VM）的内存不足时，内存交换可以将部分虚拟机的内存数据交换到磁盘上，以提供额外的内存空间。这样可以避免虚拟机因内存不足而崩溃或性能下降，确保虚拟机的正常运行。
- 调整资源分配：云服务器上的虚拟机通常会共享物理资源，如内存。当某个虚拟机的内存需求较高时，其他虚拟机可能会受到限制。通过使用内存交换，可以在不影响整体性能的情况下，动态地调整虚拟机之间的内存分配，以满足各个虚拟机的需求。
- 缓解突发负载：在云服务器环境中，可能会发生突发的内存使用情况，例如某个应用程序突然需要更多的内存来处理大量的请求。如果物理内存不足，系统可能会通过内存交换将部分不常用的数据交换到磁盘上，从而为该应用程序提供所需的内存空间，以应对临时的负载增加。
然而，需要注意的是，内存交换虽然可以提供一定的灵活性和资源管理能力，但它的性能开销较大。当系统频繁进行内存交换时，会导致磁盘IO负载增加，严重影响系统性能。因此，在云服务器环境中，通常建议根据实际情况合理配置虚拟机的内存大小，以避免过度依赖内存交换机制。
