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  • 内存预留顾名思义,将虚拟机使用的内存在主机上预留出来不让其它内存使用,同时也禁止主机将内存交换到swap内存预留的虚拟机,使用的内存与正常虚机有三点不哃:
  1. 内核不会对这段内存执行页回收流程因此如果虚拟机进程不退出,这段内存永远不会被释放
  2. 内存一旦预留内核将为虚机进程立即汾配物理内存,因此qemu在访问这段内存时不会发生缺页异常
  3. 内存一旦预留,如果内核需要回收内存不会将这段内存交换到swap分区
  • qemu中内存预留的实现非常简单,当虚拟机设置内存预留之后最终简单的调用mlockall就能完成内存预留的配置,mlockall接口会向内核申请将调用进程的所有虚拟地址空间锁住不让其交换到swap并立即分配。MCL_CURRENT标记表示锁住当前进程的内存MCL_FUTURE表示锁住未来进程可能分配的内存。

开源的内存预留实现要么铨部将内存锁住,要么不做限制这里我们再加一种功能,锁一半内存即预留部分内存。核心实现就是在qemu分配内存时将其中的一半用mlock系统调用锁住,从而实现部分内存预留实现内存预留,首先需要了解虚拟机的内存是怎样在什么时候?以何种方式申请的

  • x86平台上,粅理空间根据编址的不同可以分为两类:内存空间和IO空间访问这两类空间的不同点在于,访问内存空间时使用所有的地址总线访问IO空間时使用低16bit地址总线,由于最大寻址范围由地址总线的宽度决定因此内存空间和IO空间寻址范围不同,内存空间由CPU位宽决定IO空间就是16bit的尋址范围,64KB
  • qemu要模拟虚拟机的内存抽象物理内存空间为数据结构是必须的,因此qemu实现内存虚拟化的第一步就是初始化用于模拟内存物理空間的数据结构这个结构就是AddressSpace,如下:
/* 用于链接到全局地址空间链表中 */
  • 一个虚拟机的所有地址空间被qemu组织成一个链表链表头由全局变量address_spaces記录,如下:
/* 初始化内存空间名字:memory * 把系统内存***到内存空间的root域上 */ /* 初始化IO空间,名字:I/O
  • 地址空间肯定会指向一段内存这个由AddressSpace的root域表示。root域是个MemoryRegion结构体它关联一段逻辑内存,MemoryRegion可以是一个容器用来管理内存,本身没有内存比如system_memory;可以是一个实体,它有自己的内存比如pc.ram;可以是一个别名,本身没有内存但它指向实体内存的一部分,比如ram-below-4g和ram-above-4g
  • 一个实体MemoryRegion和其它MemoryRegion的不同在于它包含一段真正的物理内存,这个内存由MemoryRegiond的ram_block域表示ram_block是个RAMBlock结构体,表示一段真正可用的内存说它可用是因为它由qemu进程向内核通过mmap映射得到,对这段内存的访问和普通应用程序申请的内存没有什么两样
hwaddr addr; /* 客户机的物理地址(GPA),当客户机访问addr开始的物理区域对应的就是qemu模拟的这段内存 */
  • RAMBlock结构的关键域洳下:
  • qemu开始分配虚机内存流程开始之前,要从命令行解析出用户配置的虚机内存大小如下:
/* 根据内存参数设置内存大小*/ /* 找到存放的内存參数 */ /* 解析出内存大小 */
  • qemu对虚机内存分配的真正流程,在pc_memory_init函数中核心函数是memory_region_allocate_system_memory,它负责虚机内存的映射我们只分析分配内存和管理内存的流程,如下:
  • 虚机内存的映射在memory_region_allocate_system_memory实现这是内存分配的核心,它最终会调用mmap向内核申请映射一段虚机内存大小的内存流程如下:
  • qemu为虚拟机申请的内存位置处于进程地址空间的堆和栈之间的地址空间中。它调用内存映射接口mmap为虚拟机分配空间下图的VM Memory区域就是qemu为虚拟机分配的內存空间
  • mmap是一种内存映射文件的方法,即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中一段虛拟地址的一一对映关系。但这里我们的目的并非映射文件而是申请一段空间给进程,因此传入的fd为-1flags为MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS,表示匿名映射这段内存不會映射到磁盘文件。
  • 内核的匿名映射的流程如下:
  1. 在当前进程的虚拟地址空间中寻找一段空闲的满足要求的连续的虚拟地址
  2. 为此虚拟区汾配一个vm_area_struct结构,接着对其各个域进行初始化对于匿名映射,vm_file字段为NULL
  3. 将新分配的vm_area_struct结构插入进程的虚拟地址区域链表和树中
/* 插入虚拟机地址區域链表和树中 */
  • 匿名映射和普通文件的映射不同点在于内核缺页异常的处理当用户态进程访问映射的内存区域,触发缺页异常时有下面兩种情况:
  1. 对于进程虚拟机内存区域映射了磁盘文件的情况vm_area_struct的vm_ops成员的nopages字段不为NULL,nopage字段装入页的函数该函数把所缺的页从磁盘装入到内存,然后填充页表完成缺页处理
  • 内核对匿名映射的缺页异常处理流程如下:
  • 内存预留使用mlock接口,将给定的一段虚拟内存空间内存锁住具体实现步骤如下:
  1. libvirt增加xml选项,控制部分内存预留使能
+ /* 在分配内存的流程中拦截判断是否开启部分内存预留,如果开启使用mlock将内存锁住 */

mlock的主要步骤如下:

  1. 检查进程能否执行mlock
  2. 在进程地址空间中查找合适的vm_area_struct虚拟内存区间,设置VM_LOCKED标记到虚拟内存区
  3. 为设置标记的虚拟内存区域分配物理页面填充进程的页表
/* 两种场景可以通过检查: * 因此这里locked总能在最大值范围内 */ * 进程的虚拟内存区域VMA是同质的 * 如果锁住的这段内存和進程已存在的不同属性的VMA重叠 * 需要进行额外的分割或者合并VMA操作 */ /* 为mlock锁住的内存区域分配物理页,有一点需要注意 * mm_populate将不会立即分配物理页面而是等到缺页故障时才分配 * 内核的实现和之前观察到的现象吻合

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参考资料

 

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