LWN：給kernel的swap添加一個抽象層！

關(guān)注了就能看到更多這么棒的文章哦～

A new swap abstraction layer for the kernel

By Jonathan Corbet
May 23, 2024
LSFMM+BPF
Gemini-1.5-flash translation
https://lwn.net/Articles/974587/

交換（swapping）在本質(zhì)上可能是一種內(nèi)存管理技術(shù)，但其實現(xiàn)也涉及內(nèi)核的文件系統(tǒng)和存儲層。因此，在 2024 年 Linux 存儲、文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理和 BPF 峰會（2024 Linux Storage, Filesystem, Memory-Management and BPF Summit）上，由 Chris Li 主持的關(guān)于內(nèi)核交換抽象層的會議由這三個領(lǐng)域共同舉辦也就不足為奇了。Li 對改進(jìn)子系統(tǒng)有一些雄心勃勃的想法，但要實現(xiàn)可行的方案可能并不容易。

Li 開始介紹了當(dāng)前內(nèi)核維護(hù)的交換功能的狀態(tài)開始，以了解新實現(xiàn)需要保留哪些內(nèi)容。這里的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是交換偏移量（swap offset），即交換文件中可以找到有關(guān)已換出頁面的其他信息的存儲位置。內(nèi)核中的其他信息都是可選的。他說，這種信息的散布是靈活的，但也可能是痛苦的根源。

當(dāng)前的交換設(shè)計在內(nèi)存效率方面很高，但很復(fù)雜。可以通過使用更多內(nèi)存來改進(jìn)它，這實際上相當(dāng)于為了獲得更好的結(jié)果而走向更糟的結(jié)果。David Hildenbrand 表示，交換層所需的所有資源都是預(yù)先分配的，因為在系統(tǒng)需要交換時嘗試分配內(nèi)存很容易失敗。這種預(yù)分配是為什么非常需要讓開銷最小化的原因；如果能找到減少預(yù)分配的方法，這些開銷就不那么令人擔(dān)憂了。在不使用交換時消耗更少的內(nèi)存會很好，但當(dāng)需要交換時必須分配內(nèi)存就不好了。

Li 同意系統(tǒng)通常情況下不會進(jìn)行交換；在這種情況下，那些預(yù)分配的內(nèi)存都完全被浪費了。另一方面，當(dāng)發(fā)生大量交換時，交換層中產(chǎn)生的內(nèi)存高消耗也會造成損害。

他最初提議為每個 交換項（swap entry） 添加一個字節(jié)；這用于保存一些標(biāo)志。完整的交換映射（full swap map，用于跟蹤交換設(shè)備中空間的使用情況）不會預(yù)先分配，而是根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。但是，添加單個字節(jié)的問題是，它會將一個 4 字節(jié)項變?yōu)?5 字節(jié)，這將導(dǎo)致對齊問題。因此，它應(yīng)該增加 4 個字節(jié)，這將允許添加指針。但是，如果添加了 8 個字節(jié)，就可能做更多的事情了，包括來動態(tài)分配交換項結(jié)構(gòu)。它的 size 可以變化，正如 已針對內(nèi)存描述符提出的那樣。復(fù)合交換項可以共享此描述符，最終，這些好處將會讓這 8 個額外字節(jié)的成本變得很值得。

他說，對直接交換（directly swapping）多尺寸透明巨頁 (mTHP) 的支持已添加到 mm-unstable 樹中。將 64KB mTHP 交換到 zram 設(shè)備可以顯著提高壓縮率，并節(jié)省將單頁交換出去時所需的近三分之二的 CPU 時間。但與往常一樣，存在代碼，主要表現(xiàn)為后端碎片化的增加。隨著時間的推移，分配 mTHP 塊的能力會下降，以至于即使在不到一半的交換空間使用的情況下，在 5 個小時后也會變得無法使用。

他說，問題在于交換集群（swap cluster）的處理方式。集群 size 設(shè)置為等于完整的 THP size（通常為 2MB）。任何單頁分配都將從每個 CPU 列表上的第一個集群中獲取，導(dǎo)致一個部分為空的集群，該集群不能用于交換即使是 mTHP 大小塊（小于完整的 THP 大小）；他不確定為什么。顯然需要一個更好的分配器。短期內(nèi)，他的計劃是記錄半空的交換集群，并從中分配 mTHP 大小塊。長期計劃是為交換項創(chuàng)建一個伙伴分配器。

但他表示，更好的分配器還不夠。由于交換層不控制交換項的生命周期，因此碎片化仍然會發(fā)生。惡意用戶可以選擇性地釋放內(nèi)存，導(dǎo)致盡管有大量交換空間可用但沒有一個可以分配。解決此問題的方法是非連續(xù)交換項，由復(fù)合交換結(jié)構(gòu)管理。頭部項將包含結(jié)構(gòu)的順序，對于簡單情況來說就足夠了。更復(fù)雜的情況將通過放棄交換空間的對齊要求來處理，并允許它不連續(xù)。

Li 指出，這將是一個侵入性的更改。Matthew Wilcox 同意，并警告 Li 說他正在給自己創(chuàng)造“一個痛苦的世界”。Wilcox 說，這個計劃是重新發(fā)明文件系統(tǒng)，內(nèi)存管理開發(fā)人員試圖設(shè)計文件系統(tǒng)的悲慘結(jié)果是眾所周知的。他建議 Li 找到一個文件系統(tǒng)開發(fā)人員合作，如果確實需要沿著這條道路走下去的話。

Jan Kara 表示，現(xiàn)有的文件系統(tǒng)設(shè)計不適合此任務(wù)，因為它們不是為了最小化內(nèi)存開銷而編寫的。但他表示，管理這種復(fù)雜性將有其成本。他建議，一個更容易的解決方案可能是設(shè)置一個最小尺寸，用在交換出去的數(shù)據(jù)，以此來減少碎片化。他說，大量匿名內(nèi)存往往不會被使用，因此應(yīng)該可以將它們以更大的塊交換出去，從而減少開銷和碎片化。

在會議結(jié)束時，Hildenbrand 表示，這個計劃引入了太多復(fù)雜性。相反，他說，交換進(jìn)和交換出的粒度應(yīng)該相互解耦。如果交換空間碎片化是一個問題，那么在交換出去之前，應(yīng)將 folio 拆分。folio 可以在交換進(jìn)來時重新組裝。Li 回答說，他當(dāng)前的設(shè)計允許部分向內(nèi)交換（inward swapping）；不必將整個 folio 都換入進(jìn)來。

和往常一樣，下一步將是等待出現(xiàn)實現(xiàn)這些想法的補丁。

全文完
LWN 文章遵循 CC BY-SA 4.0 許可協(xié)議。

長按下面二維碼關(guān)注，關(guān)注 LWN 深度文章以及開源社區(qū)的各種新近言論～