[發明專利]一種多增量虛擬機內存管理系統和方法

有效

• 申請號: 201310022422.4
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103092678A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 吳松;金海;石宣化;胡修堃
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06F12/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于虛擬化技術領域，更具體地，涉及一種多增量虛擬機內存管理系統和方法。

背景技術

系統虛擬化是云計算的重要技術支撐，基于x86架構的系統虛擬化技術是整個云計算發展的基石之一。在以系統虛擬化為技術支撐的云計算環境下，每臺物理機上都運行著多個虛擬機，他們由各個物理機上的虛擬機管理系統（VirtualMachine?Monitor，簡稱VMM）統一管理。物理機之上多個虛擬機創建啟動的速度和運行的效率成為了計算機科學工作者關注的焦點。SnowFlock是多倫多大學的一個項目，核心想法是把Unix操作系統中fork的概念引入到云計算，不過不是用于fork進程，是fork虛擬機，包括fork虛擬機到其他的物理機上，之所以如此設計一個快速克隆的系統主要是為了達到虛擬機快速創建和啟動也就是快速部署的目的，究其原理之所以克隆速度快，主要是因為該系統只復制了必要的狀態信息，比如VM描述器（Descriptor）、內存狀態以及多播、資源分配上的優化等等。針對內存，差別引擎（Difference?Engine）系統在VMM上進行了頁面共享、頁面補丁、頁面壓縮方面的嘗試提高了內存的使用效率，Satori系統提供了一套在VMM上快速偵測頁面共享時機的方案以較小的開銷減小了內存的使用量。此外被提出和實現的方案還有按照虛擬機需求動態調整虛擬機內存大小、Hotplug和Balloon技術等等。

另一方面，為了減小虛擬機對物理磁盤的占用量，寫時復制（Copy?onWrite，簡稱COW）技術被廣泛運用在了虛擬機的虛擬磁盤上。在物理機上，虛擬機往往選擇單個鏡像文件來作為自己的虛擬硬盤，一個虛擬機的虛擬硬盤中如果被占用了10GB，那么作為虛擬硬盤的鏡像文件就至少會有10GB的大小，而一臺物理機上往往有多個啟動了的或是關閉著的虛擬機，這就意味著有多個鏡像文件將大量吞噬著物理磁盤的空間。現在可以基于一個現有的基礎鏡像文件生成多個增量鏡像文件來創建虛擬機，也就是每創建一個虛擬機只多生成一個增量鏡像文件，這樣新創建的虛擬機后續的改變將會被記錄在增量鏡像文件中，而基礎鏡像文件中的操作系統和應用程序還有數據都可以被新創建的虛擬機使用。在本文檔中基于增量鏡像文件創建的虛擬機被簡稱為增量虛擬機。由于增量鏡像文件是很小的，這樣基于同一個基礎鏡像文件創建多臺虛擬機就節省了大量的物理硬盤空間。

在這里，我們考慮單臺物理機搭建的Xen虛擬化平臺上有多個虛擬機由基于同一個基礎鏡像的多個增量鏡像創建的情況。首先虛擬機管理系統中的特權域對于來自各個鏡像文件的頁面有兩種處理方式，一種方式是不緩存任何虛擬機讀取的頁面，另一種方式是對所有的虛擬機讀取的頁面采用默認的頁面置換策略來緩存。在前一種方式下，虛擬機啟動運行過程中都要向基礎鏡像申請頁面，一方面由增量鏡像創建的虛擬機訪問基礎鏡像文件中的頁面需要經過一個較為復雜的多級鏡像查找過程，另一方面基礎鏡像中的頁面會被多個虛擬機重復申請。在后一種方式下，所有虛擬機讀取的頁面都有機會被緩存在dom0中，對于頁面的淘汰并沒有因頁面的來源而不同。就如普通的計算平臺上增加了虛擬化層后原有的磁盤調度算法對I/O密集型應用無法良好適應、緩存污染型應用的影響造成競爭應用緩存命中率降低等等一樣，由于系統運行在虛擬域中與底層硬件隔離，特權域頁面緩存的置換算法無法公平應對各個虛擬機的需求。

另外，由于使用增量鏡像文件作為虛擬機的虛擬磁盤之后，物理機上基于同一基礎鏡像文件創建的多臺增量虛擬機之間有許多相似之處，可是這些相似因子并沒有被加以利用。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種多增量虛擬機內存管理系統，該系統能夠優化這種情況中多個虛擬機的整體效率，并通過利用基于同一基礎鏡像文件創建的多臺增量虛擬機之間的相似因子，使得來自基礎鏡像文件的頁面可以被物理機上運行的多臺增量虛擬機共享，避免了基于同一基礎鏡像文件的多個增量虛擬機針對磁盤上基礎鏡像文件中相同的數據內容所進行的重復的讀操作。