.. include:: ../../disclaimer-zh_TW.rst :Original: Documentation/admin-guide/mm/ksm.rst :翻譯: 徐鑫 xu xin ============ 內核同頁合併 ============ 概述 ==== KSM是一種能節省內存的數據去重功能，由CONFIG_KSM=y啓用，並在2.6.32版本時被添 加到Linux內核。詳見 ``mm/ksm.c`` 的實現，以及http://lwn.net/Articles/306704 和https://lwn.net/Articles/330589 KSM最初目的是爲了與KVM（即著名的內核共享內存）一起使用而開發的，通過共享虛擬機 之間的公共數據，將更多虛擬機放入物理內存。但它對於任何會生成多個相同數據實例的 應用程序都是很有用的。 KSM的守護進程ksmd會定期掃描那些已註冊的用戶內存區域，查找內容相同的頁面，這些 頁面可以被單個寫保護頁面替換（如果進程以後想要更新其內容，將自動複製）。使用： 引用:`sysfs intraface ` 接口來配置KSM守護程序在單個過程中所掃描的頁 數以及兩個過程之間的間隔時間。 KSM只合並匿名（私有）頁面，從不合並頁緩存（文件）頁面。KSM的合併頁面最初只能被 鎖定在內核內存中，但現在可以就像其他用戶頁面一樣被換出（但當它們被交換回來時共 享會被破壞: ksmd必須重新發現它們的身份並再次合併）。 以madvise控制KSM ================ KSM僅在特定的地址空間區域時運行，即應用程序通過使用如下所示的madvise(2)系統調 用來請求某塊地址成爲可能的合併候選者的地址空間:: int madvise(addr, length, MADV_MERGEABLE) 應用程序當然也可以通過調用:: int madvise(addr, length, MADV_UNMERGEABLE) 來取消該請求，並恢復爲非共享頁面：此時KSM將去除合併在該範圍內的任何合併頁。注意： 這個去除合併的調用可能突然需要的內存量超過實際可用的內存量-那麼可能會出現EAGAIN 失敗，但更可能會喚醒OOM killer。 如果KSM未被配置到正在運行的內核中，則madvise MADV_MERGEABLE 和 MADV_UNMERGEABLE 的調用只會以EINVAL 失敗。如果正在運行的內核是用CONFIG_KSM=y方式構建的，那麼這些 調用通常會成功：即使KSM守護程序當前沒有運行，MADV_MERGEABLE 仍然會在KSM守護程序 啓動時註冊範圍，即使該範圍不能包含KSM實際可以合併的任何頁面，即使MADV_UNMERGEABLE 應用於從未標記爲MADV_MERGEABLE的範圍。 如果一塊內存區域必須被拆分爲至少一個新的MADV_MERGEABLE區域或MADV_UNMERGEABLE區域， 當該進程將超過 ``vm.max_map_count`` 的設定，則madvise可能返回ENOMEM。（請參閱文檔 Documentation/admin-guide/sysctl/vm.rst）。 與其他madvise調用一樣，它們在用戶地址空間的映射區域上使用：如果指定的範圍包含未 映射的間隙（儘管在中間的映射區域工作），它們將報告ENOMEM，如果沒有足夠的內存用於 內部結構，則可能會因EAGAIN而失敗。 KSM守護進程sysfs接口 ==================== KSM守護進程可以由``/sys/kernel/mm/ksm/`` 中的sysfs文件控制，所有人都可以讀取，但 只能由root用戶寫入。各接口解釋如下： pages_to_scan ksmd進程進入睡眠前要掃描的頁數。 例如， ``echo 100 > /sys/kernel/mm/ksm/pages_to_scan`` 默認值：100（該值被選擇用於演示目的） sleep_millisecs ksmd在下次掃描前應休眠多少毫秒 例如， ``echo 20 > /sys/kernel/mm/ksm/sleep_millisecs`` 默認值：20（該值被選擇用於演示目的） merge_across_nodes 指定是否可以合併來自不同NUMA節點的頁面。當設置爲0時，ksm僅合併在物理上位 於同一NUMA節點的內存區域中的頁面。這降低了訪問共享頁面的延遲。在有明顯的 NUMA距離上，具有更多節點的系統可能受益於設置該值爲0時的更低延遲。而對於 需要對內存使用量最小化的較小系統來說，設置該值爲1（默認設置）則可能會受 益於更大共享頁面。在決定使用哪種設置之前，您可能希望比較系統在每種設置下 的性能。 ``merge_across_nodes`` 僅當系統中沒有ksm共享頁面時，才能被更改設 置：首先將接口`run` 設置爲2從而對頁進行去合併，然後在修改 ``merge_across_nodes`` 後再將‘run’又設置爲1，以根據新設置來重新合併。 默認值：1（如早期的發佈版本一樣合併跨站點） run * 設置爲0可停止ksmd運行，但保留合併頁面， * 設置爲1可運行ksmd，例如， ``echo 1 > /sys/kernel/mm/ksm/run`` ， * 設置爲2可停止ksmd運行，並且對所有目前已合併的頁進行去合併，但保留可合併 區域以供下次運行。 默認值：0（必須設置爲1才能激活KSM，除非禁用了CONFIG_SYSFS） use_zero_pages 指定是否應當特殊處理空頁（即那些僅含zero的已分配頁）。當該值設置爲1時， 空頁與內核零頁合併，而不是像通常情況下那樣空頁自身彼此合併。這可以根據 工作負載的不同，在具有着色零頁的架構上可以提高性能。啓用此設置時應小心， 因爲它可能會降低某些工作負載的KSM性能，比如，當待合併的候選頁面的校驗和 與空頁面的校驗和恰好匹配的時候。此設置可隨時更改，僅對那些更改後再合併 的頁面有效。 默認值：0（如同早期版本的KSM正常表現） max_page_sharing 單個KSM頁面允許的最大共享站點數。這將強制執行重複數據消除限制，以避免涉 及遍歷共享KSM頁面的虛擬映射的虛擬內存操作的高延遲。最小值爲2，因爲新創 建的KSM頁面將至少有兩個共享者。該值越高，KSM合併內存的速度越快，去重 因子也越高，但是對於任何給定的KSM頁面，虛擬映射的最壞情況遍歷的速度也會 越慢。減慢了這種遍歷速度就意味着在交換、壓縮、NUMA平衡和頁面遷移期間， 某些虛擬內存操作將有更高的延遲，從而降低這些虛擬內存操作調用者的響應能力。 其他任務如果不涉及執行虛擬映射遍歷的VM操作，其任務調度延遲不受此參數的影 響，因爲這些遍歷本身是調度友好的。 stable_node_chains_prune_millisecs 指定KSM檢查特定頁面的元數據的頻率（即那些達到過時信息數據去重限制標準的 頁面）單位是毫秒。較小的毫秒值將以更低的延遲來釋放KSM元數據，但它們將使 ksmd在掃描期間使用更多CPU。如果還沒有一個KSM頁面達到 ``max_page_sharing`` 標準，那就沒有什麼用。 KSM與MADV_MERGEABLE的工作有效性體現於 ``/sys/kernel/mm/ksm/`` 路徑下的接口： pages_shared 表示多少共享頁正在被使用 pages_sharing 表示還有多少站點正在共享這些共享頁，即節省了多少 pages_unshared 表示有多少頁是唯一的，但被反覆檢查以進行合併 pages_volatile 表示有多少頁因變化太快而無法放在tree中 full_scans 表示所有可合併區域已掃描多少次 stable_node_chains 達到 ``max_page_sharing`` 限制的KSM頁數 stable_node_dups 重複的KSM頁數 比值 ``pages_sharing/pages_shared`` 的最大值受限制於 ``max_page_sharing`` 的設定。要想增加該比值，則相應地要增加 ``max_page_sharing`` 的值。 監測KSM的收益 ============= KSM可以通過合併相同的頁面來節省內存，但也會消耗額外的內存，因爲它需要生成一些rmap_items 來保存每個掃描頁面的簡要rmap信息。其中有些頁面可能會被合併，但有些頁面在被檢查幾次 後可能無法被合併，這些都是無益的內存消耗。 1) 如何確定KSM在全系統範圍內是節省內存還是消耗內存？這裏有一個簡單的近似計算方法供參考:: general_profit =~ pages_sharing * sizeof(page) - (all_rmap_items) * sizeof(rmap_item); 其中all_rmap_items可以通過對 ``pages_sharing`` 、 ``pages_shared`` 、 ``pages_unshared`` 和 ``pages_volatile`` 的求和而輕鬆獲得。 2) 單一進程中KSM的收益也可以通過以下近似的計算得到:: process_profit =~ ksm_merging_pages * sizeof(page) - ksm_rmap_items * sizeof(rmap_item). 其中ksm_merging_pages顯示在 ``/proc//`` 目錄下，而ksm_rmap_items 顯示在 ``/proc//ksm_stat`` 。 從應用的角度來看， ``ksm_rmap_items`` 和 ``ksm_merging_pages`` 的高比例意 味着不好的madvise-applied策略，所以開發者或管理員必須重新考慮如何改變madvis策 略。舉個例子供參考，一個頁面的大小通常是4K，而rmap_item的大小在32位CPU架構上分 別是32B，在64位CPU架構上是64B。所以如果 ``ksm_rmap_items/ksm_merging_pages`` 的比例在64位CPU上超過64，或者在32位CPU上超過128，那麼應用程序的madvise策略應 該被放棄，因爲ksm收益大約爲零或負值。 監控KSM事件 =========== 在/proc/vmstat中有一些計數器，可以用來監控KSM事件。KSM可能有助於節省內存，這是 一種權衡，因爲它可能會在KSM COW或複製中的交換上遭受延遲。這些事件可以幫助用戶評估 是否或如何使用KSM。例如，如果cow_ksm增加得太快，用戶可以減少madvise(, , MADV_MERGEABLE) 的範圍。 cow_ksm 在每次KSM頁面觸發寫時拷貝（COW）時都會被遞增，當用戶試圖寫入KSM頁面時， 我們必須做一個拷貝。 ksm_swpin_copy 在換入時，每次KSM頁被複制時都會被遞增。請注意，KSM頁在換入時可能會被複 制，因爲do_swap_page()不能做所有的鎖，而需要重組一個跨anon_vma的KSM頁。 -- Izik Eidus, Hugh Dickins, 2009年11月17日。