CN103729230B - 虚拟机***的内存管理方法和计算机*** - Google Patents

Abstract

提供一种用于在虚拟机***上进行内存管理的方法和计算机***。所述内存管理方法包含以下步骤。首先，通过至少一个处理器获得在所述虚拟机***上的多个虚拟机(virtual machine)中每一个的工作集大小，其中所述工作集大小是运行所述虚拟机中每一个上的应用程序所需的内存量。随后，根据所述虚拟机中每一个的所述工作集(working set)大小以及至少一个换入(swap in)或再次快取错误(refault)，通过所述至少一个处理器将存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个，其中所述存储内存是所述计算机***中可用内存的一部分。

Description

虚拟机***的内存管理方法和计算机***

技术领域

本发明涉及一种在虚拟机***上进行内存管理的技术。

背景技术

计算机虚拟化是一种涉及虚拟机创建的技术，该虚拟机就像一个具有操作***的物理计算机，并且计算机虚拟化架构通常通过在单个物理计算机平台上同时支持多个操作***的能力来进行限定。例如，运行微软视窗***的计算机可以控管有具有Linux操作***的虚拟机。主机是发生虚拟化的实际物理机，而虚拟机则被看作客户机。超管理器（supervisor），确切地称为虚拟机监视器（VMM），是将硬件资源虚拟化并且将虚拟硬件接口呈现给至少一个虚拟机的软件层。超管理器与传统的操作***对用于处理的硬件资源进行管理，并且运行相对于执行虚拟机的某些管理功能时所用的方式相似。虚拟机可以称为“客机”，并且在虚拟机内部运行的操作***可以称为“客机操作***”。

虚拟化环境当前受到内存限制，这意味着主机的物理内存是数据中心中资源利用的阻碍。内存虚拟化将物理内存资源从数据中心解除耦接，并且随后将这些资源聚集成虚拟化内存池，该虚拟化内存池可由客机操作***或在客机操作***之上运行的应用程序进行访问。就内存虚拟化而言，内存共享是内存资源管理和利用的重要课题之一。

当存在多个虚拟机在低内存主机上运行时，虚拟机的内存分布将变得对应用程序性能极其重要。物理内存应以公平的方式分配在虚拟机之间，并且此种操作被定义为“内存平衡”。

内存平衡的最简单形式是将可用物理内存除以虚拟机个数，并且给予这些虚拟机中的每一个等量的内存。然而，此种机构不会考虑这些虚拟机中每一个的工作集大小，其中工作集大小是运行这些虚拟机中每一个上的应用程序所需的内存量。也就是说，这种方法隐含假定有这些虚拟机中的每一个都是相等的，包含在虚拟机之上运行的应用程序和输入工作负载。

另一种方法是将与每个工作集大小成正比的可用物理内存的百分比分配给这些虚拟机中的每一个。直觉是将较大量的内存分给对内存资源具有较大需求的虚拟机。在此种分配下，虚拟机的工作集大小与其分配的内存之间的差值也与虚拟机的工作集大小成正比。这意味着当虚拟机的内存分配被从其工作集大小降到其工作集大小的一个固定百分比时，对于具有较大工作集大小的虚拟机而言，任何额外的事件处罚（例如，再次快取错误（refault）或换入事件(swap in)）可能会较高。

为了防止虚拟机由于内存不足而发生严重的性能减退，可能需要使在相同主机上运行的虚拟机中每一个的性能开销(performance overhead)相等，方式是通过使用更合适的内存平衡机制。

发明内容

本公开一实施例涉及由计算机***所寄存的虚拟机***的内存管理方法。所述内存管理方法包含以下步骤。首先，通过至少一个处理器获得在所述虚拟机***上的多个虚拟机中每一个的工作集大小，其中所述工作集大小是运行所述虚拟机中每一个上的应用程序所需的内存量。随后，根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及至少一个换入或再次快取错误，通过所述至少一个处理器将存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个，其中所述存储内存是所述计算机***中可用内存的一部分。

本公开另一实施例涉及一种计算机***，该计算机***包含***内存和至少一个处理器。所述至少一个处理器耦接到所述***内存上并且执行以下操作，以在虚拟机***上进行内存管理。所述至少一个处理器获得在虚拟机***上的多个虚拟机中每一个的工作集大小，其中所述工作集大小是运行这些虚拟机中每一个上的应用程序所需的内存量。根据这些虚拟机中每一个的工作集大小以及至少一个换入或再次快取错误，所述至少一个处理器进一步将存储内存量分配给这些虚拟机中的每一个，其中存储内存是***内存中可用内存的一部分。

为了使本发明的前述以及其他特征和优势易于理解，下文将结合附图详细描述若干实施例，从而进一步详细描述本发明。

附图说明

加入附图以帮助进一步理解本发明，并且所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图用于图示本发明的实施例，并且连同描述一起用于阐释本发明的原理。然而，这些附图并非意图对所附权利要求书所限定的本发明的范围进行限制。

图1A是根据本发明的一实施例的计算机***的方框图。

图1B是根据本发明的一实施例的虚拟机***的方框图。

图2是根据本发明的一实施例的虚拟机***上的内存管理方法。

具体实施方式

现将详细参考本发明的各项实施例，所述实施例的各个实例将在附图中进行说明。在附图和描述中，尽可能使用相同的参考标号来指代相同或相似的部分。

为了说明的目的，在以下各项实施例中使用了一个处理器和一个***内存，但是本发明并不限于此。在其他实施例中，可以使用一个以上的处理器。

图1A是根据本发明的一实施例的计算机***的方框图。参考图1，计算机***100包含处理器110、***内存120以及其他标准***部件（未示出），其中***内存120耦接到处理器110上。

处理器110可以是专用或专门的处理器，其经配置以通过执行机器可读的软件代码语言来实现特定任务，该软件代码语言限定与操作有关的功能，从而通过与计算机***100的其他部件通信来实施功能操作。

***内存120存储操作***等软件，并且暂时存储当前有效或经常使用的数据或应用程序。因此，***内存120，也称为物理内存，它可以是一种存取时间较快的较快速内存，例如，随机存取存储器（RAM）、静态随机存取存储器（SRAM）或动态随机存取存储器（DRAM）。

虚拟内存是一种用于对***内存120的资源进行管理的技术。该技术提供具有大量内存的假象。虚拟内存和***内存120都被分成多个邻接的内存地址块，这些内存地址块也称为内存页面(page)。

超管理器安装在计算机***100上并且支持虚拟机执行空间，在所述虚拟机执行空间内，可以同时物理(实体)化和执行多个虚拟机。图1B是根据本发明的一实施例的虚拟机***的方框图。

连同图1A一起参考图1B，虚拟机***100'包含多个虚拟机1501-150N、超管理器160以及虚拟硬件170。应注意，本发明的各项实施例涵盖能够同时寄存虚拟机1501-150N的计算机***100，并且为了简洁和易于说明的目的，除非另有说明，以下各项实施例中示出两个虚拟机1501和150N。虚拟机1501和150N中的每一个都包含客机操作***，例如，客机操作***1551或155N，以及各种客机软件应用程序（未示出）。客机操作***中的每一个都包含客机内核，例如，客机内核1561或156N。包含处理器、内存和I/O装置的虚拟硬件170被提取和分配为连至上部运行虚拟机1501和150N的虚拟处理器、虚拟内存和虚拟I/O装置。超管理器160对虚拟机1501和150N进行管理，并且提供仿真硬件和固件资源。在多项实施例的一个中，Linux分布可以安装为虚拟机150内的客机操作***1551和155N，用以执行任何支持的应用程序，并且支持大多数Linux分布的开源软件Xen可以被提供为超管理器160。客机内核1561和156N中每一个都可以是dom0内核，并且客机操作***1551和155N中每一个都包含气球驱动器（balloon driver）（未示出）。结合超管理器160，气球驱动器可以通过调用内存管理算法来对虚拟机1551和155N的虚拟内存进行分配或解除分配。为了达到此目的，可以拦截在客机内核1561和156N处的换入和再次快取错误，从而量化客机虚拟机1501和150N的性能开销，并且分配给虚拟机1501和150N的内存量可以进行调节，以通过利用客机操作***1551和155N的页面再生(pagereclaiming)机构，使虚拟机1501和150N中每一个的开销相等。

对于页面再生，处理器110使用最近最少使用（Least Recently Used:LRU）标准来确定移除页面并保持LRU列表157所用的顺序，所述LRU列表根据两种主要类型的内存（匿名内存和页面缓存）的最后存取时间，来对曾经由虚拟机1501和150N存取过的内存页面进行排序。匿名内存的内存页面被用户进程的堆和栈使用，并且页面缓存的内存页面通过磁盘数据进行备份，其中，在第一次存取到磁盘数据之后，内容被缓存在内存中以减少未来磁盘I/O。

在虚拟机***100'上，如果LRU列表上的内存页面是匿名内存，那么客机内核1561和156N可以将内容交换到交换磁盘(swap space)（未示出），对进程中未呈现出的对应PTE进行标记，随后释放对应的内存页面。随后，如果内存页面再次被存取，那么将通过以下方式来执行COA（copy-on-access:复制存取）机制：将页面内容从交换磁盘带入新分配的内存页面中，即，换入。或者，如果LRU列表上的内存页面属于页面缓存，那么当页面内容已被污染时，客机内核1561和156N可以将该页面内容刷新输出（flush）到交换磁盘中，随后所述页面得到释放。下一个文件存取之后，客机内核1561和156N必须再次执行磁盘存取（称为再次读取）以将内容带回到页面缓存中新分配的页面。

图2是根据本发明的一实施例的虚拟机***上的内存管理方法。

在参照图2之前，应注意，***内存120的一部分可用于虚拟机1501-150N，并且***内存的这一部分被定义为“存储内存（storage memory）”。现参考图2连同图1A和图1B中的部件，通过处理器110获得虚拟机***100'上的这些虚拟机1501-150N中每一个的工作集大小（步骤S201）。随后，根据这些虚拟机1501-150N中每一个的工作集大小以及至少一个换入或再次快取错误，通过处理器110将存储内存量分配给这些虚拟机1501-150N中的每一个（步骤S203）。应注意，换入计数和再次读取计数的总和可以定义为开销计数，所述开销计数也是被读取到虚拟机中的页面数目。

更具体地说，在各项实施例的一个中，首先假设每个换入和再次快取错误的开销在不同虚拟机1501-150N上都是相同的，其中所述不同虚拟机具有不同工作负载和不同的分配内存量。给定存储内存量M_Avail和N个虚拟机，其中虚拟机150i具有工作集大小WSS_i，其中i=1，2，…，N，处理器110从这些虚拟机中每一个的工作集大小总和中减去存储内存M_Avail，并且随后把相减结果除以虚拟机个数N。相除结果被定义为第一减少项。随后，处理器110从工作集大小WSS_i中减去第一减少项，最终为虚拟机150i生成内存分配或气球目标(balloon target)。也就是说，分配给虚拟机1501-150N中每一个的存储内存量满足等式（1）：

等式（1）

其中BT_i表示分配给虚拟机150i（或虚拟机150i的气球目标）的存储内存量，WSS_i表示虚拟机150i的工作集大小，N表示虚拟机个数，以及M_Avail表示存储内存量。

作为本实施例的数个范例，假设两个虚拟机1501和150N分别给定工作集大小600MB和300MB，并且假定存储内存为600MB。首先，将缺少的存储内存量除以2（即，150MB），并且通过处理器110将相同的缺少量分配给两个虚拟机1501和150N。随后，虚拟机1501和150N可以分别分配有450MB（缺少150MB）和150MB（缺少150MB）。在内存分配之后，虚拟机1501和150N预期具有相同的开销计数。

在不同虚拟机1501-150N上相同的每个换入和再次快取错误的开销假设并不总是正确的，因为每个换入或再次快取错误的时间成本在一个虚拟机内或不同虚拟机之间可以是不同的。例如，当虚拟机分配到的内存量远远低于其工作集时，（例如，对交换子***的元数据有更多的修改），可以减慢每次换入操作。为了处理这种情况，在另一实施例中，其目标旨在对所有的虚拟机1501-150N之间的换入和再次读取时间进行平衡。每个虚拟机150i的换入和再次读取时间的总和称为开销时间overhead_time_i，其中i=1，2，…，n。虚拟机150i的内存分配的减少定义为第二减少项S_i，其与换入和再次读取所花费的平均开销时间overhead_time_i倒数成正比，因为开销时间overhead_time_i越大，虚拟机150i的内存分配的减少就越小。随后，处理器110从工作集大小WSSi中减去第二减少项，最终为虚拟机150i生成内存分配或气球目标。也就是说，分配给虚拟机1501-150N中每一个的内存量满足等式（2）：

等式（2）

其中，BT_i表示分配给虚拟机i的存储内存量，WSS_i表示虚拟机i的工作集大小，N表示虚拟机个数，M_Avail表示存储内存量。

作为本实施例的数例，假设两个虚拟机1501和150N也分别给定工作集大小600MB和300MB，并且存储内存为600MB。假设虚拟机1501和150N的开销时间overhead_time_i比为2:1，其中i=1，N。在本实施例中，缺少量以与开销时间overhead_time_i成反比的被分配给虚拟机1501和150N（即，虚拟机1501缺少100MB，而虚拟机150N缺少200MB）。因此，对于虚拟机1501的最终存储分配为500MB，而对于虚拟机105N的最终存储分配为100MB。虚拟机1501和105N的开销时间overhead_time_i预期得以平衡，并且性能开销可以实现均等。

应注意，对于超管理器160的紧急内存池而言，当处理器110检测到超管理器160的闲置内存低于配置的下限，例如，低于1%时，启动内存平衡机构。处理器110可以从虚拟机1501-150N中每一个的气球驱动器中接收换入和再次读取信息，决定虚拟机1501-150N中每一个的工作集，并相应地计算出新的气球目标。通过前述内存管理方法，所有虚拟机1501-150N可以适度地降级，而同时不会过于缺乏内存资源。

在一实施例中，可以通过在个人计算机和工作站等的计算机上执行准备好的程序来实施上述内存管理方法。所述程序存储在计算机可读记录媒介上（例如，硬盘、软盘、CD-ROM、MO以及DVD），从计算机可读媒介中读取，并且被计算机执行。所述程序可以通过英特网等网络进行分布。

总之，通过利用客机操作***的现有页面再生机构，本发明中的内存管理方法经设计，以根据这些虚拟机中每一个的工作集大小和至少一个换入或再次快取错误，将存储内存量分配给主机***上的每个虚拟机。通过这种方式，可以使在相同主机***上运行的虚拟机中每一个的性能开销相等，从而防止虚拟机由于内存不足而产生严重的性能退化。

本领域技术人员将易于明白，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对所揭示的实施例的结构作出各种修改和变化。鉴于前文，只要本发明的修改和变化属于所述权利要求书以及其等效物范围内，那么本发明就涵盖所述修改和变化。

Claims (12)

1.一种虚拟机***的内存管理方法，所述内存管理方法包括：

通过至少一个处理器获得在所述虚拟机***上的多个虚拟机中每一个的工作集大小，所述工作集大小是运行所述虚拟机中每一个上的应用程序所需的内存量；以及

根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及至少一个换入或再次快取错误，通过所述至少一个处理器将存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个，所述存储内存量是计算机***中可用内存的一部分，此步骤还包括：

根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及第一减少项或第二减少项，通过所述至少一个处理器将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个，其中，所述第一减少项与所述存储内存量、所述虚拟机***上的所述虚拟机个数以及所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和相关联，其中，所述第二减少项与所述存储内存量、所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和以及根据所述至少一个换入或再次快取错误的开销时间相关联。

2.根据权利要求1所述的内存管理方法，其特征在于，根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及所述第一减小项，通过所述至少一个处理器将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个这一步骤包括：

根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小、所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和，以及所述虚拟机***上的所述虚拟机个数，通过所述至少一个处理器来计算出所述第一减少项；以及

通过所述至少一个处理器把所述工作集大小减去所述第一减少项从而将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个。

3.根据权利要求2所述的内存管理方法，其特征在于，分配给所述虚拟机中每一个的所述内存量满足等式(1)：

其中，BT_i表示分配给所述虚拟机i的所述存储内存量，WSS_i表示所述虚拟机i的所述工作集大小，N表示所述虚拟机个数，以及M_Avail表示所述存储内存量。

4.根据权利要求1所述的内存管理方法，其特征在于，根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及所述第二减小项，通过所述至少一个处理器将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个这一步骤包括：

根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小、所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和、所述存储内存量、所述虚拟机***上的所述虚拟机个数，以及根据所述至少一个换入或再次快取错误的所述开销时间，通过所述至少一个处理器来计算出所述第二减少项；以及

通过所述至少一个处理器把所述工作集大小减去所述第二减少项从而将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个。

5.根据权利要求4所述的内存管理方法，其特征在于，所述第二减少项与所述开销时间成反比。

6.根据权利要求5所述的内存管理方法，其特征在于，分配给所述虚拟机中每一个的所述存储内存量满足等式(2)：

其中，BT_i表示分配给所述虚拟机i的所述存储内存量，WSS_i表示所述虚拟机i的所述工作集大小，N表示所述虚拟机个数，M_Avail表示所述存储内存量，overhead_time_i表示虚拟机i的开销时间。

7.一种计算机***，其包括：

***内存；

至少一个处理器，所述至少一个处理器耦接到所述***内存上，所述至少一个处理器执行操作，用于在虚拟机***上进行内存管理，所述操作包括：

获得在所述虚拟机***上的多个虚拟机中每一个的工作集大小，所述工作集大小是运行所述虚拟机中每一个上的应用程序所需的内存量；以及

根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及至少一个换入或再次快取错误，将存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个，所述存储内存量是所述***内存中可用内存的一部分，

所述至少一个处理器根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小以及第一减少项或第二减少项，将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个，其中，所述第一减少项与所述存储内存量、所述虚拟机***上的所述虚拟机个数以及所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和相关联，其中，所述第二减少项与所述存储内存量、所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和以及根据所述至少一个换入或再次快取错误的开销时间相关联。

8.根据权利要求7所述的计算机***，其特征在于，根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小、所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和以及所述虚拟机***上的所述虚拟机个数，所述至少一个处理器计算出所述第一减少项，并且把所述工作集大小减去所述第一减少项从而将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个。

9.根据权利要求8所述的计算机***，其特征在于，分配给所述虚拟机中每一个的所述内存量满足等式(1)：

其中，BT_i表示分配给所述虚拟机i的所述存储内存量，WSS_i表示所述虚拟机i的所述工作集大小，N表示所述虚拟机个数，以及M_Avail表示所述存储内存量。

10.根据权利要求7所述的计算机***，根据所述虚拟机中每一个的所述工作集大小、所述虚拟机中每一个的所述工作集大小的总和、所述存储内存量、所述虚拟机***上的所述虚拟机个数以及根据所述至少一个换入或再次快取错误的所述开销时间，所述至少一个处理器计算出所述第二减少项，以及通过所述至少一个处理器把所述工作集减去所述第二减少项从而将所述存储内存量分配给所述虚拟机中的每一个。

11.根据权利要求10所述的计算机***，其特征在于，所述第二减少项与所述开销时间成反比。

12.根据权利要求11所述的计算机***，其特征在于，分配给所述虚拟机中每一个的所述存储内存量满足等式(2)：

其中，BT_i表示分配给所述虚拟机i的所述存储内存量，WSS_i表示所述虚拟机i的所述工作集大小，N表示所述虚拟机个数，M_Avail表示所述存储内存量，overhead_time_i表示虚拟机i的开销时间。