内核同页合并¶

概述¶

KSM是一种能节省内存的数据去重功能，由CONFIG_KSM=y启用，并在2.6.32版本时被添加到Linux内核。详见 mm/ksm.c 的实现，以及http://lwn.net/Articles/306704 和https://lwn.net/Articles/330589

KSM最初目的是为了与KVM（即著名的内核共享内存）一起使用而开发的，通过共享虚拟机之间的公共数据，将更多虚拟机放入物理内存。但它对于任何会生成多个相同数据实例的应用程序都是很有用的。

KSM的守护进程ksmd会定期扫描那些已注册的用户内存区域，查找内容相同的页面，这些页面可以被单个写保护页面替换（如果进程以后想要更新其内容，将自动复制）。使用：引用:sysfs intraface <ksm_sysfs> 接口来配置KSM守护程序在单个过程中所扫描的页数以及两个过程之间的间隔时间。

KSM只合并匿名（私有）页面，从不合并页缓存（文件）页面。KSM的合并页面最初只能被锁定在内核内存中，但现在可以就像其他用户页面一样被换出（但当它们被交换回来时共享会被破坏: ksmd必须重新发现它们的身份并再次合并）。

以madvise控制KSM¶

KSM仅在特定的地址空间区域时运行，即应用程序通过使用如下所示的madvise(2)系统调用来请求某块地址成为可能的合并候选者的地址空间:

int madvise(addr, length, MADV_MERGEABLE)

应用程序当然也可以通过调用:

int madvise(addr, length, MADV_UNMERGEABLE)

来取消该请求，并恢复为非共享页面：此时KSM将去除合并在该范围内的任何合并页。注意：这个去除合并的调用可能突然需要的内存量超过实际可用的内存量-那么可能会出现EAGAIN 失败，但更可能会唤醒OOM killer。

如果KSM未被配置到正在运行的内核中，则madvise MADV_MERGEABLE 和 MADV_UNMERGEABLE 的调用只会以EINVAL 失败。如果正在运行的内核是用CONFIG_KSM=y方式构建的，那么这些调用通常会成功：即使KSM守护程序当前没有运行，MADV_MERGEABLE 仍然会在KSM守护程序启动时注册范围，即使该范围不能包含KSM实际可以合并的任何页面，即使MADV_UNMERGEABLE 应用于从未标记为MADV_MERGEABLE的范围。

如果一块内存区域必须被拆分为至少一个新的MADV_MERGEABLE区域或MADV_UNMERGEABLE区域，当该进程将超过 vm.max_map_count 的设定，则madvise可能返回ENOMEM。（请参阅文档 Documentation for /proc/sys/vm/）。

与其他madvise调用一样，它们在用户地址空间的映射区域上使用：如果指定的范围包含未映射的间隙（尽管在中间的映射区域工作），它们将报告ENOMEM，如果没有足够的内存用于内部结构，则可能会因EAGAIN而失败。

KSM守护进程sysfs接口¶

KSM守护进程可以由``/sys/kernel/mm/ksm/`` 中的sysfs文件控制，所有人都可以读取，但只能由root用户写入。各接口解释如下：

pages_to_scan

ksmd进程进入睡眠前要扫描的页数。例如， echo 100 > /sys/kernel/mm/ksm/pages_to_scan

默认值：100（该值被选择用于演示目的）

sleep_millisecs

ksmd在下次扫描前应休眠多少毫秒例如， echo 20 > /sys/kernel/mm/ksm/sleep_millisecs

默认值：20（该值被选择用于演示目的）

merge_across_nodes

指定是否可以合并来自不同NUMA节点的页面。当设置为0时，ksm仅合并在物理上位于同一NUMA节点的内存区域中的页面。这降低了访问共享页面的延迟。在有明显的 NUMA距离上，具有更多节点的系统可能受益于设置该值为0时的更低延迟。而对于需要对内存使用量最小化的较小系统来说，设置该值为1（默认设置）则可能会受益于更大共享页面。在决定使用哪种设置之前，您可能希望比较系统在每种设置下的性能。 merge_across_nodes 仅当系统中没有ksm共享页面时，才能被更改设置：首先将接口`run` 设置为2从而对页进行去合并，然后在修改 merge_across_nodes 后再将‘run’又设置为1，以根据新设置来重新合并。

默认值：1（如早期的发布版本一样合并跨站点）

run

设置为0可停止ksmd运行，但保留合并页面，
设置为1可运行ksmd，例如， echo 1 > /sys/kernel/mm/ksm/run ，
设置为2可停止ksmd运行，并且对所有目前已合并的页进行去合并，但保留可合并区域以供下次运行。

默认值：0（必须设置为1才能激活KSM，除非禁用了CONFIG_SYSFS）

use_zero_pages

指定是否应当特殊处理空页（即那些仅含zero的已分配页）。当该值设置为1时，空页与内核零页合并，而不是像通常情况下那样空页自身彼此合并。这可以根据工作负载的不同，在具有着色零页的架构上可以提高性能。启用此设置时应小心，因为它可能会降低某些工作负载的KSM性能，比如，当待合并的候选页面的校验和与空页面的校验和恰好匹配的时候。此设置可随时更改，仅对那些更改后再合并的页面有效。

默认值：0（如同早期版本的KSM正常表现）

max_page_sharing

单个KSM页面允许的最大共享站点数。这将强制执行重复数据消除限制，以避免涉及遍历共享KSM页面的虚拟映射的虚拟内存操作的高延迟。最小值为2，因为新创建的KSM页面将至少有两个共享者。该值越高，KSM合并内存的速度越快，去重因子也越高，但是对于任何给定的KSM页面，虚拟映射的最坏情况遍历的速度也会越慢。减慢了这种遍历速度就意味着在交换、压缩、NUMA平衡和页面迁移期间，某些虚拟内存操作将有更高的延迟，从而降低这些虚拟内存操作调用者的响应能力。其他任务如果不涉及执行虚拟映射遍历的VM操作，其任务调度延迟不受此参数的影响，因为这些遍历本身是调度友好的。

stable_node_chains_prune_millisecs

指定KSM检查特定页面的元数据的频率（即那些达到过时信息数据去重限制标准的页面）单位是毫秒。较小的毫秒值将以更低的延迟来释放KSM元数据，但它们将使 ksmd在扫描期间使用更多CPU。如果还没有一个KSM页面达到 max_page_sharing 标准，那就没有什么用。

KSM与MADV_MERGEABLE的工作有效性体现于 /sys/kernel/mm/ksm/ 路径下的接口：

pages_shared: 表示多少共享页正在被使用
pages_sharing: 表示还有多少站点正在共享这些共享页，即节省了多少
pages_unshared: 表示有多少页是唯一的，但被反复检查以进行合并
pages_volatile: 表示有多少页因变化太快而无法放在tree中
full_scans: 表示所有可合并区域已扫描多少次
stable_node_chains: 达到 max_page_sharing 限制的KSM页数
stable_node_dups: 重复的KSM页数

比值 pages_sharing/pages_shared 的最大值受限制于 max_page_sharing 的设定。要想增加该比值，则相应地要增加 max_page_sharing 的值。

监测KSM的收益¶

KSM可以通过合并相同的页面来节省内存，但也会消耗额外的内存，因为它需要生成一些rmap_items 来保存每个扫描页面的简要rmap信息。其中有些页面可能会被合并，但有些页面在被检查几次后可能无法被合并，这些都是无益的内存消耗。

如何确定KSM在全系统范围内是节省内存还是消耗内存？这里有一个简单的近似计算方法供参考:
```
general_profit =~ pages_sharing * sizeof(page) - (all_rmap_items) *
                  sizeof(rmap_item);
```
其中all_rmap_items可以通过对 pages_sharing 、 pages_shared 、 pages_unshared 和 pages_volatile 的求和而轻松获得。
单一进程中KSM的收益也可以通过以下近似的计算得到:
```
process_profit =~ ksm_merging_pages * sizeof(page) -
                  ksm_rmap_items * sizeof(rmap_item).
```
其中ksm_merging_pages显示在 /proc/<pid>/ 目录下，而ksm_rmap_items 显示在 /proc/<pid>/ksm_stat 。

从应用的角度来看， ksm_rmap_items 和 ksm_merging_pages 的高比例意味着不好的madvise-applied策略，所以开发者或管理员必须重新考虑如何改变madvis策略。举个例子供参考，一个页面的大小通常是4K，而rmap_item的大小在32位CPU架构上分别是32B，在64位CPU架构上是64B。所以如果 ksm_rmap_items/ksm_merging_pages 的比例在64位CPU上超过64，或者在32位CPU上超过128，那么应用程序的madvise策略应该被放弃，因为ksm收益大约为零或负值。

监控KSM事件¶

在/proc/vmstat中有一些计数器，可以用来监控KSM事件。KSM可能有助于节省内存，这是一种权衡，因为它可能会在KSM COW或复制中的交换上遭受延迟。这些事件可以帮助用户评估是否或如何使用KSM。例如，如果cow_ksm增加得太快，用户可以减少madvise(, , MADV_MERGEABLE) 的范围。

cow_ksm: 在每次KSM页面触发写时拷贝（COW）时都会被递增，当用户试图写入KSM页面时，我们必须做一个拷贝。
ksm_swpin_copy: 在换入时，每次KSM页被复制时都会被递增。请注意，KSM页在换入时可能会被复制，因为do_swap_page()不能做所有的锁，而需要重组一个跨anon_vma的KSM页。

-- Izik Eidus, Hugh Dickins, 2009年11月17日。

The Linux Kernel

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