[發明專利]一種支持新型大頁框架的KVM系統

有效

• 申請號: 201810449372.0
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108628663B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 王總輝;陳文智;徐浩
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06F12/1009
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發明公開了一種支持新型大頁框架的KVM系統，包括內存虛擬化單元，單元中包含了EPT頁故障處理模塊和頁表項刪除模塊。本發明通過對KVM模塊和PHPA框架進行修改，提出了改造KVM的具體方法以及相關實現，使兩者有機結合起來，并且該實現通過了相關測試，使得PHPA大頁框架具有很好的擴展性，解決了Linux hugetlbfs靜態大頁很多問題。此外，本發明通過進一步修改KVM模塊實現了對虛擬機冷熱頁的統計，最終形成了一個新的KVM系統，使得PHPA框架從實驗室走向工業界邁出了非常關鍵的一步。

技術領域

本發明屬于云服務技術領域，具體涉及一種支持新型大頁框架的KVM(Kernel-based Virtual Machine，基于內核的虛擬機)系統。

背景技術

如今，云計算發展如火如荼，市場上涌現出大量云服務提供商，如亞馬遜、微軟、阿里云等公司，他們無不希望用可接受的硬件成本提供高效而大量的服務，這就要求對現有硬件的高效實用。

現今大部分的云服務是建立在大規模的服務器集群上，對于單個物理服務器又往往使用了虛擬化技術來復用硬件，以達到在不影響運行的情況下承載盡可能多業務的目的。因而，單臺物理服務器上往往運行著數十乃至上百的虛擬機，這時候對硬件的利用程度將直接影響業務的運行質量和數量。在CPU、內存、I/O這幾個方面中，物理內存是比較好優化的一個點，而且目前主流服務器的物理內存普遍達到256G甚至更高，在這種情況下，內存優化帶來的實際效益也是很高的。如Linux內核本身就有KSM(Kernel Samepage Merging，內核同頁合并)技術，用于合并重復頁。此外，此種大內存情況下，系統往往會開啟大頁機制，因為繼續使用傳統的4KB小頁幀將帶來如下瓶頸：①大量的內存管理結構開銷，如256G的物理內存需要使用2²⁶個struct page結構體。②TLB又稱快表，是頁表的cache，CPU訪問TLB速度遠高于訪問內存，但是TLB容量很小，細粒度的分頁導致TLB miss的可能性很高，對業務運行效率造成很大的影響。

現有的Linux內核中對大頁的支持分為兩種：一是靜態大頁機制，二是透明大頁機制。兩種大頁機制均是由普通4KB小頁擴展而來，其管理結構構建在小頁的管理結構之上，如代表頁幀的結構體仍為struct page，每512個連續的struct page復合成一個大頁，這樣做雖然有效克服了上述問題②，但是問題①仍然沒解決，且其擴展性不是很好，如兩種大頁均不支持KSM和數據壓縮，其中靜態大頁本身就不能交換或壓縮，而透明大頁在交換或者壓縮前會被split成普通小頁。

因而國內某課題組提出了全新的大頁框架——PHPA(Pristine Huge PageAllocator，原生大頁分配器)，該框架使用全新的數據結構進行管理，且兼容了hugetlbfs的接口，在元數據開銷方面僅為原來的1/512。但是PHPA框架存在一個嚴重的問題，那就是與原生的KVM模塊不兼容。宏觀地來看，這主要是PHPA框架采用新的頁描述符引起的，而新的頁描述符是PHPA具有良好擴展性的根本基礎，是無法舍棄的設計，因而為了使PHPA框架運行在以KVM為hypervisor的虛擬化環境下，就要求對KVM模塊進行改造。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種支持新型大頁框架的KVM系統，通過對KVM模塊進行改造，使得新型大頁框架PHPA可運行于以KVM為hypervisor的虛擬化環境下，并增強了KVM的功能。

一種支持新型大頁框架的KVM系統，包括內存虛擬化單元，其負責虛擬機的內存管理；所述內存虛擬化單元包括有EPT(Extended Page Tables，擴展頁表)頁故障處理模塊和頁表項刪除模塊，EPT頁故障處理模塊負責對EPT頁表進行缺頁處理，頁表項刪除模塊用于在釋放頁時對相應的頁表項進行刪除；

所述EPT頁故障處理模塊包括：

Level計算子模塊，判斷EPT頁表中所缺的EPT頁表項為4KB頁表項或是2M頁表項；