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Original:: Kernel Samepage Merging
翻譯:: 徐鑫 xu xin <xu.xin16@zte.com.cn>

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 <ksm_sysfs> 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 for /proc/sys/vm/）。

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。

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。
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/<pid>/ 目錄下，而ksm_rmap_items 顯示在 /proc/<pid>/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。