內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的資源之一，當(dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)，進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存將會(huì)失敗，從而導(dǎo)致其運(yùn)行異常或者崩潰。

Linux 內(nèi)核提供swap機(jī)制來(lái)解決內(nèi)存不足的情況，其原理是：

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)，內(nèi)核會(huì)將進(jìn)程不常用的內(nèi)存交換（寫(xiě)入）到磁盤(pán)中，然后將這些內(nèi)存歸還給系統(tǒng)，系統(tǒng)可以將這些內(nèi)存繼續(xù)分配給其他需要使用內(nèi)存的進(jìn)程。

通過(guò) swap 機(jī)制，系統(tǒng)可以將內(nèi)存分配給需求更迫切的進(jìn)程。但由于 swap 機(jī)制需要進(jìn)行 I/O 操作，所以一定程度上會(huì)影響系統(tǒng)性能。那么是否存在一種能夠節(jié)省內(nèi)存，而且對(duì)性能影響較少的機(jī)制呢？

在 Linux-3.14 引入了一種名為zRAM的技術(shù)，zRAM 的原理是：將進(jìn)程不常用的內(nèi)存壓縮存儲(chǔ)，從而達(dá)到節(jié)省內(nèi)存的使用。如下圖所示：

zRAM 機(jī)制建立在 swap 機(jī)制之上，swap 機(jī)制是將進(jìn)程不常用的內(nèi)存交換到磁盤(pán)中，而 zRAM 機(jī)制是將進(jìn)程不常用的內(nèi)存壓縮存儲(chǔ)在內(nèi)存某個(gè)區(qū)域。所以 zRAM 機(jī)制并不會(huì)發(fā)生 I/O 操作，從而避免因 I/O 操作導(dǎo)致的性能下降。

zRAM原理

由于 zRAM 機(jī)制是建立在 swap 機(jī)制之上，而 swap 機(jī)制需要配置文件系統(tǒng)或塊設(shè)備來(lái)完成的。所以 zRAM 虛擬一個(gè)塊設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)，swap 機(jī)制將內(nèi)存寫(xiě)入到這個(gè)虛擬的塊設(shè)備中。也就是說(shuō)，zRAM 機(jī)制本質(zhì)上只是一個(gè)虛擬塊設(shè)備。

zRAM 的原理如下圖所示：

從上圖可以看出，在開(kāi)啟了 zRAM 機(jī)制的情況下，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)，內(nèi)核會(huì)進(jìn)行如下操作：

通過(guò) swap 機(jī)制從系統(tǒng)中查找一些進(jìn)程不常用的內(nèi)存。

將這些不常用的內(nèi)存交換到 zRAM 塊設(shè)備中，而 zRAM 塊設(shè)備首先會(huì)對(duì)這些不常用的內(nèi)存進(jìn)行壓縮，然后存儲(chǔ)起來(lái)。

把不常用的內(nèi)存壓縮存儲(chǔ)到 zRAM 塊設(shè)備后，swap 機(jī)制會(huì)把這些不常用的內(nèi)存歸還給內(nèi)核。

當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)到這些被交換到 zRAM 塊設(shè)備的內(nèi)存時(shí)，swap 機(jī)制將會(huì)通過(guò) zRAM 塊設(shè)備解壓這些內(nèi)存，并且重新建立與進(jìn)程的地址映射關(guān)系。

啟用zRAM

1. 創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備

要啟用 zRAM，首先需要?jiǎng)?chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備。要?jiǎng)?chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備，可以使用以下命令：

modprobezramnum_devices=1

num_devices參數(shù)可以指定創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備的個(gè)數(shù)，上面命令創(chuàng)建了一個(gè) zRAM 塊設(shè)備，可以通過(guò)路徑/dev/zram0來(lái)訪問(wèn)這個(gè)塊設(shè)備。

2. 設(shè)置 zRAM 塊設(shè)備的大小

創(chuàng)建完 zRAM 塊設(shè)備后，可以通過(guò)以下命令來(lái)設(shè)置其空間大小：

echo512M>/sys/block/zram0/disksize

上面命令設(shè)置了zram0的大小為 512MB，也就是說(shuō)，zram0能夠存儲(chǔ) 512MB 壓縮后的數(shù)據(jù)。

3. 壓縮算法選擇

zRAM 機(jī)制支持多種壓縮算法，不同的壓縮算法有不同的壓縮比率和壓縮速度，用戶(hù)可以按照自身的需求來(lái)選擇不同的壓縮算法。

要更改 zRAM 的壓縮算法，可以使用下面命令：

echolzo>/sys/block/zram0/comp_algorithm

上面命令將 zRAM 的壓縮算法更改為lzo，我們也可以通過(guò)下面命令來(lái)查看內(nèi)核支持哪些壓縮算法：

cat/sys/block/zram0/comp_algorithm
lzo[lz4]

從上面命令的輸出可知，內(nèi)核支持lzo和lz4兩種壓縮算法。

4. 將 swap 交換設(shè)備設(shè)置為 zRAM

要將 swap 的交換設(shè)備設(shè)置為 zRAM 塊設(shè)備，可以使用以下命令：

mkswap/dev/zram0

當(dāng)執(zhí)行完上面這條命令后，內(nèi)核將會(huì)使用zram0作為 swap 的交換設(shè)備。

zRAM實(shí)現(xiàn)

zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)代碼主要在drivers/block/zram/zram_drv.c文件中，下面我們主要圍繞此文件進(jìn)行分析。

本文并不會(huì)介紹塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)流程，只會(huì)分析 swap 機(jī)制在進(jìn)行內(nèi)存交換時(shí)，與 zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的交互。

壓縮內(nèi)存

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時(shí)，內(nèi)核將會(huì)觸發(fā)swap機(jī)制。swap 機(jī)制首先會(huì)從系統(tǒng)中選擇一些進(jìn)程不常用內(nèi)存，然后將這些不常用的內(nèi)存交換到zRAM塊設(shè)備中（使用 zRAM 塊設(shè)備作為交換設(shè)備的情況下）。

當(dāng) swap 機(jī)制將不常用的內(nèi)存交換到 zRAM 塊設(shè)備時(shí)，會(huì)調(diào)用zram_make_request()函數(shù)處理請(qǐng)求。而zram_make_request()最終會(huì)通過(guò)調(diào)用zram_bvec_write()函數(shù)來(lái)壓縮內(nèi)存，調(diào)用鏈如下：

zram_make_request()
->__zram_make_request()
->zram_bvec_rw()
->zram_bvec_write()

我們來(lái)分析一下zram_bvec_write()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，其代碼如下：

staticint
zram_bvec_write(structzram*zram,structbio_vec*bvec,u32index,intoffset)
{
...
//1.獲取需要進(jìn)行壓縮的內(nèi)存
page=bvec->bv_page;
...
user_mem=kmap_atomic(page);
uncmem=user_mem;

...
//2.對(duì)內(nèi)存進(jìn)行壓縮
ret=zcomp_compress(zram->comp,zstrm,uncmem,&clen);
...

//3.獲取壓縮后的數(shù)據(jù)
src=zstrm->buffer;
...

//4.申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存塊保存壓縮后的數(shù)據(jù)
handle=zs_malloc(meta->mem_pool,clen);
...
cmem=zs_map_object(meta->mem_pool,handle,ZS_MM_WO);

//5.將壓縮后的數(shù)據(jù)保存到新申請(qǐng)的內(nèi)存塊中
memcpy(cmem,src,clen);
...

//6.將壓縮后的數(shù)據(jù)登記到zRAM塊設(shè)備的表格中
meta->table[index].handle=handle;
...
returnret;
}

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，我們對(duì)代碼進(jìn)行精簡(jiǎn)。從上面的代碼可以看出，zRAM 機(jī)制對(duì)內(nèi)存進(jìn)行壓縮的步驟如下：

獲取需要進(jìn)行壓縮的內(nèi)存，需要進(jìn)行壓縮的內(nèi)存由 swap 機(jī)制提供。

通過(guò)zcomp_compress()函數(shù)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行壓縮，src指針指向壓縮后的內(nèi)存地址。

通過(guò)zs_malloc()和zs_map_object()函數(shù)申請(qǐng)一塊新的內(nèi)存塊，大小為壓縮后數(shù)據(jù)的大小。

將壓縮后的數(shù)據(jù)復(fù)制到新申請(qǐng)的內(nèi)存塊中。

將壓縮后的數(shù)據(jù)記錄到zRAM塊設(shè)備的表格中。

由于 zRAM 塊設(shè)備是建立在內(nèi)存中的虛擬塊設(shè)備，所以其并沒(méi)有真實(shí)塊設(shè)備的特性。真實(shí)塊設(shè)備會(huì)將存儲(chǔ)空間劃分成一個(gè)個(gè)塊，而zram_bvec_write()函數(shù)的index參數(shù)就是數(shù)據(jù)塊的編號(hào)。此參數(shù)有 swap 機(jī)制提供，所以 zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過(guò) index 參數(shù)作為原始內(nèi)存數(shù)據(jù)的編號(hào)。

一圖勝千言：

zRAM驅(qū)動(dòng)有個(gè)數(shù)據(jù)塊表，用來(lái)記錄原始內(nèi)存數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)，此表的索引就是數(shù)據(jù)塊的編號(hào)。swap 機(jī)制會(huì)維護(hù)此表格的使用情況，如哪個(gè)塊是空閑的，哪個(gè)塊被占用等。

當(dāng)內(nèi)存頁(yè)被壓縮后，swap 機(jī)制將會(huì)把原來(lái)的內(nèi)存頁(yè)釋放掉，并且把所有映射到此內(nèi)存頁(yè)的進(jìn)程解除映射，細(xì)節(jié)可以參考 swap 機(jī)制相關(guān)的資料。

審核編輯：劉清