內(nèi)存是計算機系統(tǒng)最重要的資源之一，當操作系統(tǒng)內(nèi)存不足時，進程申請內(nèi)存將會失敗，從而導致其運行異?；蛘弑罎ⅰ?/p>

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

當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核會將進程不常用的內(nèi)存交換（寫入）到磁盤中，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)存的進程。

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

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

zRAM 機制建立在 swap 機制之上，swap 機制是將進程不常用的內(nèi)存交換到磁盤中，而 zRAM 機制是將進程不常用的內(nèi)存壓縮存儲在內(nèi)存某個區(qū)域。所以 zRAM 機制并不會發(fā)生 I/O 操作，從而避免因 I/O 操作導致的性能下降。

zRAM原理

由于 zRAM 機制是建立在 swap 機制之上，而 swap 機制需要配置文件系統(tǒng)或塊設(shè)備來完成的。所以 zRAM 虛擬一個塊設(shè)備，當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，swap 機制將內(nèi)存寫入到這個虛擬的塊設(shè)備中。也就是說，zRAM 機制本質(zhì)上只是一個虛擬塊設(shè)備。

zRAM 的原理如下圖所示：

從上圖可以看出，在開啟了 zRAM 機制的情況下，當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核會進行如下操作：

通過 swap 機制從系統(tǒng)中查找一些進程不常用的內(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)備首先會對這些不常用的內(nèi)存進行壓縮，然后存儲起來。

把不常用的內(nèi)存壓縮存儲到 zRAM 塊設(shè)備后，swap 機制會把這些不常用的內(nèi)存歸還給內(nèi)核。

當進程訪問到這些被交換到 zRAM 塊設(shè)備的內(nèi)存時，swap 機制將會通過 zRAM 塊設(shè)備解壓這些內(nèi)存，并且重新建立與進程的地址映射關(guān)系。

啟用zRAM

1. 創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備

要啟用 zRAM，首先需要創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備。要創(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)備的個數(shù)，上面命令創(chuàng)建了一個 zRAM 塊設(shè)備，可以通過路徑/dev/zram0來訪問這個塊設(shè)備。

2. 設(shè)置 zRAM 塊設(shè)備的大小

創(chuàng)建完 zRAM 塊設(shè)備后，可以通過以下命令來設(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，zram0能夠存儲 512MB 壓縮后的數(shù)據(jù)。

3. 壓縮算法選擇

zRAM 機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，用戶可以按照自身的需求來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，我們也可以通過下面命令來查看內(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

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

zRAM實現(xiàn)

zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動的實現(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行分析。

本文并不會介紹塊設(shè)備驅(qū)動的編寫流程，只會分析 swap 機制在進行內(nèi)存交換時，與 zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動的交互。

壓縮內(nèi)存

當系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核將會觸發(fā)swap機制。swap 機制首先會從系統(tǒng)中選擇一些進程不常用內(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 swap 機制將不常用的內(nèi)存交換到 zRAM 塊設(shè)備時，會調(diào)用zram_make_request()函數(shù)處理請求。而zram_make_request()最終會通過調(diào)用zram_bvec_write()函數(shù)來壓縮內(nèi)存，調(diào)用鏈如下：

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

我們來分析一下zram_bvec_write()函數(shù)的實現(xiàn)，其代碼如下：

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

...
//2.對內(nèi)存進行壓縮
ret=zcomp_compress(zram->comp,zstrm,uncmem,&clen);
...

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

//4.申請一個內(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;
}

為了簡化分析過程，我們對代碼進行精簡。從上面的代碼可以看出，zRAM 機制對內(nèi)存進行壓縮的步驟如下：

獲取需要進行壓縮的內(nèi)存，需要進行壓縮的內(nèi)存由 swap 機制提供。

通過zcomp_compress()函數(shù)對內(nèi)存進行壓縮，src指針指向壓縮后的內(nèi)存地址。

通過zs_malloc()和zs_map_object()函數(shù)申請一塊新的內(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，所以其并沒有真實塊設(shè)備的特性。真實塊設(shè)備會將存儲空間劃分成一個個塊，而zram_bvec_write()函數(shù)的index參數(shù)就是數(shù)據(jù)塊的編號。此參數(shù)有 swap 機制提供，所以 zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動通過 index 參數(shù)作為原始內(nèi)存數(shù)據(jù)的編號。

一圖勝千言：

zRAM驅(qū)動有個數(shù)據(jù)塊表，用來記錄原始內(nèi)存數(shù)據(jù)對應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)，此表的索引就是數(shù)據(jù)塊的編號。swap 機制會維護此表格的使用情況，如哪個塊是空閑的，哪個塊被占用等。

當內(nèi)存頁被壓縮后，swap 機制將會把原來的內(nèi)存頁釋放掉，并且把所有映射到此內(nèi)存頁的進程解除映射，細節(jié)可以參考 swap 機制相關(guān)的資料。

審核編輯：劉清