操作系统中的交换

交换是一种内存管理方案，其中任何进程都可以暂时从主内存交换到辅助内存，以便为主内存腾出空间以容纳其他进程。它用于提高主内存的利用率。在辅助内存中，存储已交换出进程的位置称为交换空间。

操作系统中交换的目的是访问硬盘中的数据并将其移至RAM，以便应用程序可以使用它。需要记住的是，只有当RAM中不存在数据时，才会使用交换。

虽然交换过程会影响系统性能，但它有助于运行更大或多个进程。这就是为什么交换也称为内存紧凑。

交换的概念分为两个概念：Swap-in（换入）和Swap-out（换出）。

• Swap-out（换出）是一种将进程从RAM移除并添加到硬盘的方法。
• Swap-in（换入）是一种将程序从硬盘移除并将其放回主内存或RAM的方法。

操作系统中的交换入和交换出

Swap In (换入)

Swap In（换入）方法是一种将进程从辅助内存（硬盘）转移到主内存（RAM）的技术，以便它可以继续运行。

Swap Out (换出)

Swap Out（换出）方法是一种将进程从主内存（RAM）移除并将其移动到辅助内存（硬盘）的技术，以便可以运行优先级更高或内存需求更大的进程。

注意：中程调度程序（MTS）处理交换入和交换出机制。

示例：假设用户进程的大小为2048KB，并且是标准硬盘，其中交换的数据传输速率为1Mbps。现在我们将计算从主内存传输到辅助内存所需的时间。

操作系统交换技术如何运行

操作系统使用交换（一种内存管理方法）来有效利用计算机系统有限的物理内存（RAM）。当系统运行大量进程时，RAM变得不堪重负，可以将进程的一部分或整个进程暂时转移到辅助存储（通常是硬盘）以腾出空间供其他进程使用。

交换过程涉及以下步骤

选择

操作系统选择需要从主内存中交换出的进程。优先级、执行时间和其他因素通常用于做出此选择。

数据传输

一旦选定的进程内容（包括代码和数据）从RAM中移出，它们就会被传输到一个称为交换空间的磁盘区域。

进程挂起

当选定的进程被挂起时，其状态（包括程序计数器和寄存器内容）会被保存在内存中。

加载过程

如果需要将另一个进程加载到内存中执行，操作系统会从磁盘的交换区域选择一个进程，将其加载到RAM，并恢复其保存的状态。

恢复工作

重新启动的进程通常不会意识到自己已被暂时交换出，而是从中断的地方继续执行。

通过有效地管理多个进程的内存需求，交换使得可以运行比实际RAM支持的更多的进程。但是，由于在主内存和磁盘之间传输数据需要时间，因此交换可能会导致延迟。现代操作系统使用复杂的算法来确定应该何时交换哪些进程，以尽量减少这种性能影响。目标是在确保无缝多任务处理的同时最大化系统性能。

文件和空间交换

操作系统使用交换文件（存储设备上的一个特殊文件，如硬盘或SSD）来增加可用的RAM量。当系统的RAM已满时，可以将空闲的内存页面移至交换文件，从而为其他进程腾出RAM。即使物理内存较少，这也使系统能够同时管理多个进程。

相反，交换空间是专门为交换设置的磁盘空间。它可以是交换文件或专用分区（交换分区）。操作系统将无法存储在RAM中的数据临时存储在这里。当物理内存不足时，交换空间对于避免内存不足问题和保持系统稳定至关重要。

分页和交换

交换是一种内存管理技术，通过将整个程序在主内存（RAM）和交换空间（磁盘）之间移动来有效地管理内存消耗。为了为主内存释放空间以供正在运行的进程使用，当系统需要的内存超过物理可用内存时，操作系统会将未主动使用的整个进程交换出去。如果稍后需要运行，则被交换出的进程将被交换回RAM。此过程确保即使物理内存量较少，系统也可以继续无问题地运行。

另一方面，称为分页的内存管理方法将物理内存划分为固定大小的帧，将进程的内存划分为固定大小的页。当进程执行时，页面会被加载到可用的内存帧中。当RAM不足时，一些页面会被移至交换空间，然后根据需要再换回RAM。分页允许非连续内存分配，从而提高RAM利用率并减少碎片。通过根据需要将页面在RAM中来回切换，它还允许程序使用比物理内存更多的内存。

操作系统交换的必要性

TSwapping 的另一个名称是分页。当操作系统的整体效率下降时，交换就变得有必要。原因是运行的进程使用的内存超过了分配的RAM空间。操作系统使用此方法来控制系统的内存。交换将RAM中不常使用的内存页传输到硬盘。这种交换操作为更频繁需要的数据或应用程序腾出了空间。

交换可用于通过抢占空闲或不活动的进程来释放内存。这样，交换提高了操作系统的多编程度和效率。我们可以得出结论，交换对于资源管理至关重要，因此对于操作系统有效利用内存至关重要。

交换的优点

1. 它有助于CPU在单个主内存中管理多个进程。
2. 它有助于创建和使用虚拟内存。
3. 交换允许CPU同时执行多个任务。因此，进程不必长时间等待即可执行。
4. 它提高了主内存的利用率。

交换的缺点

1. 如果计算机系统断电，在大量交换活动的情况下，用户可能会丢失与程序相关的所有信息。
2. 如果交换算法不好，复合方法会增加页面错误数量并降低整体处理性能。

注意

• 在单任务操作系统中，只有一个进程占用内存的用户程序区域，并且直到进程完成才保留在内存中。
• 在多任务操作系统中，当所有活动进程无法在主内存中协调时，会发生一种情况，此时一个进程会从主内存中交换出去，以便其他进程可以进入。

总结

OS交换是一种内存管理技术，通过暂时将阻塞或空闲的程序从主内存移至辅助内存来确保适当的内存使用。Swap In（换入）是一种将进程从辅助内存移回主内存的技术，而 Swap Out（换出）是一种将进程从主内存移回辅助内存的技术。交换技术能够确保所有进程都有可用的内存并提供适当的RAM使用率是其主要优点之一。交换技术的一个主要缺点是，算法必须足够好，以避免降低整体性能。

常见问题

Q1. 什么是操作系统交换？

通过将不活动的内存页暂时移至磁盘以腾出RAM供活动进程使用，操作系统中的交换有助于有效管理内存，并避免因内存不足而导致的系统减速和崩溃。

Q2. 在编程中，什么是交换？

交换，常用于编程中交换两个变量的值，它支持程序内存空间中的数据修改和重排，从而支持各种算法和操作。

Q3. 什么是操作系统的交换空间？

当RAM已满时，操作系统的交换空间是磁盘上的一个特定位置，用于临时存储不活动的内存页。这使得系统可以通过替换不常访问的数据来保持性能，同时将常用的数据保留在RAM中。

Q4. 为什么要进行OS切换？

通过将不常使用的数据暂时移至磁盘，OS交换有助于优化内存使用，减少内存耗尽，并通过确保运行程序有足够的RAM来提高系统响应速度和稳定性。

Q5. 交换内存的目的是什么？

通过增加可用内存容量并满足活动进程的需求，超出物理内存的限制，交换内存被操作系统用于在物理RAM不足时提供额外的虚拟内存。这有助于避免系统崩溃和减速。