识别需交换的页
1. 页框回收算法(PFRA)将页分为不可回收页、可交换页、可同步页、可丢弃页四种类型。其中，可交换页包括：
I.属于进程匿名线性区（如用户态堆、栈）的页；
II.属于进程私有内存映射的脏页；
III.属于IPC共享内存区的页；
对于内存中的每一页，内核利用页表项中的Present标志来判断该页是否被换出。
2. 映射页是指映射了一个文件的某一部分的页，用户态地址空间中属于文件内存映射的所有页和页高速缓存(page cache)中的页都是映射页；匿名页是指它属于一个进程的某匿名线性区，例如，进程的用户态堆和堆栈中的所有页为匿名页。页描述符(struct page)的mapping字段用于确定页是映射页或是匿名页，即：
I. mapping字段为空，则该页属于交换高速缓存；
II. mapping字段非空，且最低位为1，表示该页为匿名页，同时mapping字段中存放的是指向anon_vma描述符指针；
III. mapping字段非空，且最低位为0，表示该页为映射页，mapping字段指向address_space对象；
PageAnon()函数接受页描述符地址作为参数，如果mapping字段的最低位置位，则函数返回1，否则返回0。
3. 对于共享页，页描述符的_mapcount字段存放引用页框的页表项数目，同时内核通过反向映射(reverse mapping)技术可以确定引用同一页框的所有页表项。
交换区
1. 每个交换区都由一组页槽(page slot)组成，即一组大小为4096字节的块组成，每块中包含一个换出的页。每个交换区由一个或多个交换子区组成，每个交换子区由一个swap_extent描述符表示，每个子区对应的一组页槽在磁盘上是物理相邻的。存放在磁盘分区中的交换区只有一个子区，而存放在普通文件中的交换区则可能有多个子区，这是因为该文件在磁盘上可能不在一组连续块中。
2. 交换区描述符。每个活动的交换区在内存中都有自己的swap_info_struct描述符，其主要字段如下：
| 字段 |
说明 |
| flags |
交换区标志 |
| swap_map |
指向计数器数组的指针，每个数组元素对应交换区的每个页槽 |
| lowest_bit |
搜索一个空闲页槽时要扫描的第一个页槽 |
| highest_bit |
搜索一个空闲页槽时要扫描的最后一个页槽 |
| cluster_nr |
已分配的空闲页槽数 |
| cluster_next |
搜索一个空闲页槽时要扫描的下一个页槽 |
| prio |
交换区优先级 |
| pages |
可用页槽的个数 |
| max |
以页为单位的交换区大小 |
| inuse_pages |
交换区内已用页槽数 |
| next |
指向下一个交换区描述符的指针 |
flags字段的SWP_USED和SWP_WRITEOK标志表示交换区是否是活动的和可写入的；
swap_map字段指向一个计数器数组，交换区的每一个页槽对应一个元素。如果计数器值等于0，那么这个页槽就是空闲的；如果计数器为正数，则页槽计数器的值就表示共享换出页的进程数；
cluster_nr与cluster_next字段相结合用于查找空闲页槽，如果cluster_nr字段为正，则下次查找从cluster_next开始，若cluster_nr为0则从lowest_bit开始查找；
lowest_bit和highest_bit分别表示第一个和最后一个可能为空的页槽，即所有低于lowest_bit和高于highest_bit的页槽都被认为是已经分配过）；
3. swap_info数组包括MAX_SWAPFILES个交换区描述符，只有设置了SWP_USED标志的交换区才被使用。活动的交换区描述符也被插入按交换区优先级排序的swap_list链表中。该链表是通过交换区描述符的next字段实现的，next字段存放的是swap_info数组中下一个描述符的索引。swapon()和swapoff()系统调用用于激活和禁用交换区。
换出页标识符
换出页标识符是由区号和页槽索引构成的，分别表示交换区在swap_info数组中的索引以及页槽在交换区内的索引，这样就可以唯一标识一个页槽。swp_entry(type,offset)宏负责从交换区索引type和页槽索引offset中构造换出页标识符。swp_type和swp_offset宏作用相反。当页被换出时，其标识符就作为页的表项插入页表中，这样在需要时就可以找到这个页，因此，一个页表项就可能存在下列三种情况（页表项的最后一位即为Present标志）：
I. 空项：该页不属于进程的地址空间，或相应的页框还没有分配给进程；
II. 前31位不全等于0，最后一位等于0：该页被换出；
III. 最低位等于1：该页包含在RAM中；
分配和释放页槽
1. 查找一个空闲页槽。scan_swap_map()函数进行查找操作，Linux采用一种混合策略，即大多数情况下(cluster_nr为正数)会从cluster_next开始查找，而在已经到达交换区末尾或需重新开始分配时(上次从头开始分配之后，已经分配了SWAPFILE_CLUSTER=256个空闲页槽)，则从lowest_bit开始查找。若找不到空项的页槽，则置lowest_bit字段为最大索引，highest_bit为0，以表示交换区已满。所有的查找都是对计数器数组swap_map进行的。
(如果交换区已满并且内存也不足，页框回收算法会负责结束进程来回收内存，交换只负责暂时存放未用页以释放内存，它页框回收算法的一个子集)
2. get_swap_page()函数通过搜索所有活动的交换区(swap_list链表)来查找一个空闲页槽，该函数主要还是通过scan_swap_map()函数来获得一个空闲页槽。swap_free()函数执行swap_map计数器的减1操作，当计数器值为0时表示页槽变为空闲，此时应修改交换区描述符的相应字段。
交换高速缓存
1. swap cache的引入解决同步的问题，例如两个进程可能同时要换入同一个匿名共享页，或者一个进程可能同时进行换入换出操作。对于第一种情况，换入操作的页必须先存在swap cache上，因此可以通过页描述符的PG_locked标志标志来避免竞争；而对于第二种情况，假定进程A、B共享一个页P，当页P需要被换出时，先将其移动到swap cache上，再将A、B的页表项修改，此时，页框P只被swap cache所引用，这时候分两种情况：(1)此时若有换入操作需执行(例如进程B需要将该页写入磁盘)，由于进程B产生page fault，而缺页处理程序发现页框P在swap cache中，则它直接将页框P的物理地址插入进程B的页表项(而没有必要重新分配页，再换入页槽中的数据)；(2)若此时没有换入操作，则swap cache会删除对该页框P的引用并把它释放到伙伴系统。swap cache有一组辅助函数来支持上层的调用。
2. swap cache是由page cache实现的，其核心数据结构就是radix tree，交换高速缓存中页的存放方式是隔页存放，并具有以下特征：
I. 页描述符的mapping字段为NULL；
II. 页描述符的PG_swapcache标志置位；
III. private字段存放与该页有关的换出页标识符；
3. swap cache中的所有页只使用一个swapper_space地址空间，因此只有一个基树对swap cache中的页进行寻址。nrpages字段存放swap cache中的页数。
换出页与换入页的过程
1. 换出页操作的第一步是准备swap cache，如果页框回收算法(shrink_list()函数)确定某页是匿名页且不在swap cache中，内核就调用add_to_swap()函数，该函数在交换区分配一个新页槽，并把页框插入swap cache；然后更新引用该匿名页的所有页表项；接着就是把页的数据写入交换区，这是真正的I/O传输操作，由pageout()函数调用页address_space对象的writepage()方法实现，该步I/O传输结束后还需进行唤醒相关进程，清除标记等工作；最后内核试图将swap cache中的页框释放到伙伴系统。
2. swap thrashing是指页频繁的写入磁盘再从磁盘读入，大部分时间消耗在访问磁盘上，内核解决该问题的方法是把swap token赋给系统中的单个进程，该标记使得进程免于页框回收。当进程拥有交换标记是，swap_token_mm被设为进程的内存描述符的地址。当进程要从交换区读入一个页时，grab_swap_token函数决定是否将交换标记赋给当前进程。handle_pte_fault()函数调用do_swap_page()函数执行换入页操作，函数首先检查swap cache中是否存在该页，如果没在，则调用swap_readpage()从交换区读入页数据到swap cache中，然后完成相应的工作。