【07】Swap 与压缩交换：swapfile / swap cache / zswap
本文把 swap 的“接口 → 主路径 → 慢路径 → 观测/调参”串起来，并补充 zswap（压缩交换）的关键 module params 与生效点。基线：Linux
v5.15.200（arm64）。
0. 目标与边界
- 序号（1..N）：07
- 模块/主题：swap（swapon/swapoff）+ swap cache + zswap（压缩交换）
- Kernel：
v5.15.200，Arch：arm64 - 源码树：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200 - 覆盖：
- syscall：
swapon/swapoff - swap cache 的存在意义与主要对象
- zswap 的参数面与基本路径（与 reclaim 的交界）
- syscall：
- 不覆盖：
- reclaim 的策略本体（见【06】）
- writeback 与 file page 的完整路径（见【04】）
1. 设计原理
1.1 为什么需要 swap
- 在匿名页工作集超过物理内存时，swap 提供“把冷匿名页暂存到后备存储”的机制，避免直接 OOM。
- trade-off：
- 好处：延长可用内存，提升系统在峰值内存压力下的存活能力
- 代价：匿名页的 swap in/out 会引入显著 IO/延迟，且会与 page cache/writeback 争用资源
1.2 zswap 的定位（压缩交换）
- zswap 是 swap 的前端缓存：把将要 swap out 的匿名页先压缩存到内存池里，减少真实 swap IO。
- trade-off：
- 好处：在某些工作负载下显著减少 swap IO 与尾延迟
- 代价：占用 CPU（压缩/解压）、占用内存池（可能挤压其它工作集）
1.3 路线图（call-path route）
flowchart TD
P["pressure: reclaim"] --> R["mm/vmscan.c (see 【06】)"]
R --> OUT["anon reclaim -> swap-out"]
OUT --> SC["swap cache (mm/swap_state.c)"]
SC --> SW["swap device/file (mm/swapfile.c)"]
OUT -. "optional" .-> ZS["mm/zswap.c: zswap_store() (compressed)"]
IN["page fault / access swapped page"] --> SIN["mm/memory.c: do_swap_page() (see 【03】)"]
SIN --> ZLD["mm/zswap.c: zswap_load() (if present)"]
SIN --> RD["read from swap (mm/swapfile.c)"]
2. 关键数据结构详解
include/linux/swap.h相关：swap_entry、swap_info_struct（按实现引用点追）- swap cache：
mm/swap_state.c（缓存对象与查找/插入） - zswap pool/entry：
mm/zswap.c（压缩对象与元数据）
3. 核心流程源码走读
3.1 入口点：swapon/swapoff
mm/swapfile.c: SYSCALL_DEFINE2(swapon, ...)mm/swapfile.c: SYSCALL_DEFINE1(swapoff, ...)/proc/swaps的实现/注册：mm/swapfile.c（也可从proc_create("swaps"...追）
3.2 典型 swap-out（从 reclaim 交界切入）
- reclaim 选择匿名页作为回收对象（见【06】）
- 写出：
- 若启用 zswap：尝试
mm/zswap.c路线（压缩存入 zswap pool） - 否则或失败：走 swapfile 路线把页写到 swap
- 若启用 zswap：尝试
- 更新 swap cache / PTE 状态（与【03】交界：swap entry）
3.3 典型 swap-in（缺页时读回）
mm/memory.c: do_swap_page()（从【03】进入）- 若 zswap 命中：
mm/zswap.c: zswap_load()解压回页 - 否则：从 swap device/file 读取（
mm/swapfile.c等交界点）
4. 慢速/异常路径
4.1 swap thrash（抖动）
- 现象：频繁 swap in/out，业务延迟极不稳定；
vmstat里 si/so 高 - 根因框架：
- 工作集大于可用内存太多（只能靠 swap 维持）
- swappiness/回收策略导致匿名页与文件页权衡不合适（回到【06】）
- IO 子系统拥塞（回到【04】看 writeback 与 IO 争用）
4.2 zswap “省 IO 但吃 CPU”
- 现象：swap IO 下降，但 CPU 明显上升；延迟仍可能尖刺（压缩/解压或 pool 管理开销）
- 证据链：
- perf 栈出现 zswap 压缩/解压相关函数
- zswap pool 逼近上限后 fallback 到真实 swap
5. 调优参数与观测指标（映射到源码）
5.1 sysctl：vm.swappiness（与 reclaim 强绑定）
- 注册：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/kernel/sysctl.c（vm_table[]） - 数据：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/mm/vmscan.c: vm_swappiness（见【06】） - 生效点：
mm/vmscan.c的匿名页 vs 文件页扫描比例决策
5.2 zswap module params（最常用几个）
（建议读者在文章中把每个参数写清：默认值、单位、影响、边界条件、fallback 行为。）
zswap.max_pool_percent- 注册：
/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200/mm/zswap.c: module_param_named(max_pool_percent, ...) - 生效：限制 zswap pool 上限（达到上限后 store 失败并回退到真实 swap）
- 注册：
zswap.accept_threshold_percent- 注册：
mm/zswap.c: module_param_named(accept_threshold_percent, ...) - 生效：影响是否接受某页进入 zswap（与压缩比/收益权衡相关）
- 注册：
zswap.same_filled_pages_enabled- 注册：
mm/zswap.c: module_param_named(same_filled_pages_enabled, ...) - 生效：对“同内容填充页”（如全零页）做特殊处理，减少存储开销
- 注册：
5.3 /proc：swap 观测
/proc/swaps：启用的 swap 设备/文件列表（mm/swapfile.c）vmstat 1：si/so观察 swap in/out
6. 常见问题与源码级解释
6.1 症状：swap IO 爆炸，系统卡顿
- 证据：
vmstat 1的 si/so 长期高；PSI memory/full 上升（见【06】） - 路线：vmscan 选择匿名页 → swap-out → swap-in（缺页）循环
- 根因定位：
- 工作集问题 vs 回收策略问题（优先从【06】确认扫描/偷取与 refault）
- zswap 是否启用、是否频繁 fallback
7. 分析工具箱
- vmstat
- 命令：
vmstat 1 - 关注：
si/so（swap in/out）与r/b（就绪/阻塞）
- 命令：
- /proc/swaps
- 命令：
cat /proc/swaps - 解读：确认 swap 是否启用、优先级、设备类型
- 命令：
- perf：确认热点是否在 swap/zswap
- 命令：
sudo perf top -g - 关注：
do_swap_page、zswap 相关栈
- 命令：
- 源码导航
K=/Volumes/CF/code/source-code/linux-5.15.200rg -n \"SYSCALL_DEFINE\\d*\\(swapon\\b|SYSCALL_DEFINE\\d*\\(swapoff\\b\" $K/mm/swapfile.crg -n \"\\bzswap_\" $K/mm/zswap.crg -n \"module_param_named\\(max_pool_percent\\b|module_param_named\\(accept_threshold_percent\\b\" $K/mm/zswap.c
附录 I：讲解提纲包（Explain Pack）
30 秒定义
swap 用后备存储承接匿名页的冷数据以避免 OOM；zswap 作为 swap 的压缩前端缓存，尝试用 CPU 换 IO，减轻 swap 读写对延迟的冲击。