看到這篇文章的時候，感覺只有兩個字：郁悶。還在Linux-2.6.29的時候，就看是看Linux kernel virtual machine,那時候就感覺多個VM肯定有很多的內存是共享的，完全可以合并，沒想到Linux的發展是這么的快，linux-2.6.32就正式的支持了ksm機制，實現了共享內存的合并，而且還是專門針對虛擬機的，真是讓我抓狂，都是可惡的項目，全是在浪費時間。下面轉載ksm相關的一篇文章，學習之余做個記錄，已備畢業設計只需。

簡介： 作為一個系統管理程序（hypervisor），Linux? 有幾個創新，2.6.32 內核中一個有趣的變化是 Kernel Shared Memory (KSM)。KSM 允許這個系統管理程序通過合并內存頁面來增加并發虛擬機的數量。本文探索 KSM 背后的理念（比如存儲去耦合）、KSM 的實現、以及如何管理 KSM。

服務器虛擬化

虛擬化技術從上世紀 60 年代開始出現，經由 IBM? System/360? 大型機得以流行。50 年過后，虛擬化技術取得了跨越式發展，使得多個操作系統和應用程序共享一個服務器成為可能。這一特殊用途（稱為 服務器虛擬化 ）正在演變為數據中心，因為單個物理機能夠用于托管 10 個（一般情況）或更多虛擬機（VM），如圖 1 所示。這種虛擬化使基礎設施更動態、更省電、（因而也）更經濟。

頁面都是相同的。假如操作系統和應用程序代碼以及常量數據在 VMs 之間相同，那么這個特點就很有用。當頁面惟一時，它們可以被合并，從而釋放內存，供其他應用程序使用。圖 2 演示了內存共享，并展示了在內容相同的 VMs 之間共享頁面時更多可用閑置內存的好處。
圖 2. 跨 VMs 的內存共享

您很快就會發現，盡管 Linux 中的內存共享在虛擬環境中有優勢（KSM 最初設計用于基于內核的虛擬機），但它在非虛擬環境中仍然有用。事實上，KSM 甚至在嵌入式 Linux 系統中也有用處，表明了這種方法的靈活性。下面，我們將探索這種 Linux 內存共享方法，以及如何使用該方法提高服務器的內存密度，從而增加其托管其他應用程序或 VMs 的能力。

其他技術支持

存儲技術中的一個稱為 去耦合（de-duplication） 的最新進展是 Linux 和其他系統管理程序中的內存共享的先驅。去耦合這種技術通過刪除冗余數據（基于數據塊，或者基于更大的數據片段，比如文件）來減少已存儲的數據。公共數據片段被合并（以一種 copy-on-write [CoW] 方式），釋放空間供其他用途。使用這種方法，存儲成本更低，最終需要的存儲器也更少。鑒于當前的數據增長速度，這個功能顯得非常重要。

KSM 操作

KSM 作為內核中的守護進程（稱為 ksmd ）存在，它定期執行頁面掃描，識別副本頁面并合并副本，釋放這些頁面以供它用。KSM 執行上述操作的過程對用戶透明。例如，副本頁面被合并（然后被標記為只讀），但是，如果這個頁面的其中一個用戶由于某種原因更改該頁面，該用戶將（以 CoW 方式）收到自己的副本。可以在內核源代碼 ./mm/ksm.c 中找到 KSM 內核模塊的完整實現。

KSM 依賴高級應用程序來提供指導，根據該指導確定合并的候選內存區域。盡管 KSM 可以只掃描系統中的匿名頁面，但這將浪費 CPU 和內存資源（考慮到管理頁面合并進程所需的空間）。因此，應用程序可以注冊可能包含副本頁面的虛擬區域。

KSM 應用程序編程接口（API）通過 madvise 系統調用（見清單 1）和一個新的建議參數（advice parameter） MADV_MERGEABLE （表明已定義的區域可以合并）來實現。可以通過 MADV_UNMERGEABLE 參數（立即從一個區域取消合并任何已合并頁面）從可合并狀態刪除一個區域。注意，通過 madvise 來刪除一個頁面區域可能會導致一個 EAGAIN 錯誤，因為該操作可能會在取消合并過程中耗盡內存，從而可能會導致更大的麻煩（內存不足情況）。

清單 1. madvise 系統調用

            				
#include <sys/mman.h>

int 
            
              madvise
            
            ( void *start, size_t length, int advice );

          

一旦某個區域被定義為 “可合并”，KSM 將把該區域添加到它的工作內存列表。啟用 KSM 時，它將搜索相同的頁面，以寫保護的 CoW 方式保留一個頁面，釋放另一個頁面以供它用。

KSM 使用的方法與內存去耦合中使用的方法不同。在傳統的去耦合中，對象被散列化，然后使用散列值進行初始相似性檢查。當散列值一致時，下一步是進行一個實際對象比較（本例中是一個內存比較），以便正式確定這些對象是否一致。KSM 在它的第一個實現中采用這種方法，但后來開發了一種更直觀的方法來簡化它。

在當前的 KSM 中，頁面通過兩個 “紅-黑” 樹管理，其中一個 “紅-黑” 樹是臨時的。第一個樹稱為 不穩定樹 ，用于存儲還不能理解為穩定的新頁面。換句話說，作為合并候選對象的頁面（在一段時間內沒有變化）存儲在這個不穩定樹中。不穩定樹中的頁面不是寫保護的。第二個樹稱為 穩定樹 ，存儲那些已經發現是穩定的且通過 KSM 合并的頁面。為確定一個頁面是否是穩定頁面，KSM 使用了一個簡單的 32 位校驗和（checksum）。當一個頁面被掃描時，它的校驗和被計算且與該頁面存儲在一起。在一次后續掃描中，如果新計算的校驗和不等于此前計算的校驗和，則該頁面正在更改，因此不是一個合格的合并候選對象。

使用 KSM 進程處理一個單一的頁面時，第一步是檢查是否能夠在穩定樹中發現該頁面。搜索穩定樹的過程很有趣，因為每個頁面都被視為一個非常大的數字（頁面的內容）。一個 memcmp （內存比較）操作將在該頁面和相關節點的頁面上執行。如果 memcmp 返回 0，則頁面相同，發現一個匹配值。反之，如果 memcmp 返回 -1 ，則表示候選頁面小于當前節點的頁面；如果返回 1 ，則表示候選頁面大于當前節點的頁面。盡管比較 4KB 的頁面似乎是相當重量級的比較，但是在多數情況下，一旦發現一個差異， memcmp 將提前結束。請參見圖 3 查看這個過程的視覺呈現。

圖 3. 搜索樹中的頁面的搜索過程

如果候選頁面位于穩定樹中，則該頁面被合并，候選頁面被釋放。有關代碼位于 ksm.c/ stable_tree_search() （稱為 ksm.c/ cmp_and_merge_page() ）中。反之，如果沒有發現候選頁面，則應轉到不穩定樹（參見 ksm.c/ unstable_tree_search() ）。

在不穩定樹中搜索時，第一步是重新計算頁面上的校驗和。如果該值與原始校驗和不同，則本次掃描的后續搜索將拋棄這個頁面（因為它更改了，不值得跟蹤）。如果校驗和沒有更改，則會搜索不穩定樹以尋找候選頁面。不穩定樹的處理與穩定樹的處理有一些不同。第一，如果搜索代碼沒有在不穩定樹中發現頁面，則在不穩定樹中為該頁面添加一個新節點。但是如果在不穩定樹中發現了頁面，則合并該頁面，然后將該節點遷移到穩定樹中。

當掃描完成（通過 ksm.c/ ksm_do_scan() 執行）時，穩定樹被保存下來，但不穩定樹則被刪除并在下一次掃描時重新構建。這個過程大大簡化了工作，因為不穩定樹的組織方式可以根據頁面的變化而變化（還記得不穩定樹中的頁面不是寫保護的嗎？）。由于穩定樹中的所有頁面都是寫保護的，因此當一個頁面試圖被寫入時將生成一個頁面故障，從而允許 CoW 進程為寫入程序取消頁面合并（請參見 ksm.c/ break_cow() ）。穩定樹中的孤立頁面將在稍后被刪除（除非該頁面的兩個或更多用戶存在，表明該頁面還在被共享）。

如前所述，KSM 使用 “紅-黑” 樹來管理頁面，以支持快速查詢。實際上，Linux 包含了一些 “紅-黑” 樹作為一個可重用的數據結構，可以廣泛使用它們。“紅-黑” 樹還可以被 Completely Fair Scheduler (CFS) 使用，以便按時間順序存儲任務。您可以在 ./lib/rbtree.c 中找到 “紅-黑” 樹的這個實現。

KSM 配置和監控

KSM 的管理和監控通過 sysfs（位于根 /sys/kernel/mm/ksm）執行。在這個 sysfs 子目錄中，您將發現一些文件，有些用于控制，其他的用于監控。

第一個文件 run 用于啟用和禁用 KSM 的頁面合并。默認情況下，KSM 被禁用（ 0 ），但可以通過將一個 1 寫入這個文件來啟用 KSM 守護進程（例如， echo 1 > sys/kernel/mm/ksm/run ）。通過寫入一個 0 ，可以從運行狀態禁用這個守護進程（但是保留合并頁面的當前集合）。另外，通過寫入一個 2 ，可以從運行狀態（ 1 ）停止 KSM 并請求取消合并所有合并頁面。

KSM 運行時，可以通過 3 個參數（sysfs 中的文件）來控制它。sleep_millisecs 文件定義執行另一次頁面掃描前 ksmd 休眠的毫秒數。max_kernel_pages 文件定義 ksmd 可以使用的最大頁面數（默認值是可用內存的 25%，但可以寫入一個 0 來指定為無限）。最后，pages_to_scan 文件定義一次給定掃描中可以掃描的頁面數。任何用戶都可以查看這些文件，但是用戶必須擁有根權限才能修改它們。

還有 5 個通過 sysfs 導出的可監控文件（均為只讀），它們表明 ksmd 的運行情況和效果。full_scans 文件表明已經執行的全區域掃描的次數。剩下的 4 個文件表明 KSM 的頁面級統計數據：

• pages_shared：KSM 正在使用的不可交換的內核頁面的數量。
• pages_sharing：一個內存存儲指示。
• pages_unshared：為合并而重復檢查的惟一頁面的數量。
• pages_volatile：頻繁改變的頁面的數量。

KSM 作者定義：較高的 pages_sharing/pages_shared 比率表明高效的頁面共享（反之則表明資源浪費）。

結束語

Linux 并不是使用頁面共享來改進內存效率的惟一系統管理程序，但是它的獨特之處在于將其實現為一個操作系統特性。VMware 的 ESX 服務器系統管理程序將這個特性命名為 Transparent Page Sharing (TPS)，而 XEN 將其稱為 Memory CoW 。不管采用哪種名稱和實現，這個特性都提供了更好的內存利用率，從而允許操作系統（KVM 的系統管理程序）過量使用內存，支持更多的應用程序或 VM。 您可以在最新的 2.6.32 Linux 內核中發現 KSM — 以及其他很多有趣的特性。

Linux Kernel Shared Memory 剖析