linux下的KSM内存共享机制分析

2017-04-26

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KSM是内核中的一种内存共享机制，在2.6.36版本的内核中开始引入，简单来说就是其会 合并某些相同的页面以减少页面冗余。在内核中有一个KSM守护进程 ksmd,它定期扫描用户向它注册的内存区，寻找相同的页面，从而用一个添加写保护的页面来代替， 当有进程尝试写入的时候，会自动分配一个新页面，这点就是典型的COW机制。

KSM最初应用到KVM上，主要作为内存共享，从而腾出更多的可用物理内存，但是事实上，它可以应用于任何应用。KSM仅仅合并匿名页面，不会对文件映射的页面做处理，经过KSM合并的页面最初是被锁定的内存中的，但是现在已经可以像其他页面一样被换出到交换区，但是一经换出，共享的特性就被打破，再次换入的时候，ksmd必须重新对其处理。前面提到，KSM仅仅会扫描那些请求合并的区域，说请求不太合适，就是向KSM模块注册了如果条件允许可以被合并的区域，通过madvise系统调用可以做到这点int madvise(addr, length, MADV_MERGEABLE)，同时，应用也可以通过调用int madvise(addr, length, MADV_UNMERGEABLE)取消这个建议从而恢复页面的私有特性，但是该调用可能会突然请求很多内存，超过当前可用的内存额度，造成unmerge失败，很大程度上会造成唤醒Out-Of-Memory killer，杀死当前进程。

如果KSM没被配置进当前运行的内核，前面提到的madvise调用会失败，如果内核配置了 CONFIG_KSM=y，调用一般会成功，即使KSM守护进程没有运行，不过在进程运行的时候，调用设置的区间范围会被注册进去。

像其他的madvise调用，它们是应用于用户空间的mmap区域，如果区间包含unmap区域，那么他们就会返回ENOMEM。

应用在使用KSM的时候要慎重考虑，因为KSM扫描相同的页面会消耗较多的CPU资源，所以一些安装会禁用KSM。KSM守护进程通过sysfs文件系统控制，在/sys/kernel/mm/ksm/下包含有几个文件，所有用户可读但是只有root用户可写

pages_to_scan   在ksmd睡眠之前，需要扫描多少页面 ，通过echo 100 > /sys/kernel/mm/ksm/pages_to_scan可以修改

sleep_millisecs   ksmd的睡眠时间，以毫秒为单位。

merge_across_nodes  控制不同NUMA节点内存的合并，如果被设置成0，则只合并当前NUMA节点的内存。

run 控制ksmd的运行。0停止ksmd,但是保持合并的页面。1 运行ksmd。2 停止ksmd并unmerge所有合并的页面。

KSM合并效果实时显示在下面文件：

pages_shared - how many shared pages are being used
pages_sharing - how many more sites are sharing them i.e. how much saved
pages_unshared - how many pages unique but repeatedly checked for merging
pages_volatile - how many pages changing too fast to be placed in a tree
full_scans - how many times all mergeable areas have been scanned

上面字段意义如下A high ratio of pages_sharing to pages_shared indicates good sharing, but a high ratio of pages_unshared to pages_sharing indicates wasted effort.pages_volatile embraces several different kinds of activity, but a high proportion there would also indicate poor use of madvise  MADV_MERGEABLE.

原文内容见内核文档ksm.txt