CN115562871A - 内存分配管理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了内存分配管理的方法和装置，涉及计算机技术领域。该方法的一具体实施方式包括：响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。该实施方式能够大幅提升基于读带宽大于写带宽类内存的虚拟机的创建以及启动速度。

Description

内存分配管理的方法和装置
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种内存分配管理的方法和装置。
背景技术
现有技术中内核在分配内存时，通常先进行页表映射以及内存分配，然后对所分配的内存进行清零操作。对于读带宽大于写带宽的内存，由于写带宽的限制，因此清零操作会占用大量时间，从而增加虚拟机的创建和启动时间。这种现象在大内存型虚拟机中尤为明显，即使增加进行页表映射以及内存分配的并发度，也难以有效提升虚拟机创建和启动的速度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种内存分配管理的方法和装置，通过设置内存类型标识，能够判断所分配的物理内存是否是读带宽大于写带宽的内存；通过在所分配的物理内存为预设标识内存的情况下进一步判断所分配的物理内存是否为空闲内存，以及在所分配的物理内存不为空闲内存的情况下对物理内存进行清零操作、在所分配的物理内存为空闲内存的情况下不进行清零操作，能够大幅提升基于读带宽大于写带宽类内存的虚拟机的创建以及启动速度。
为实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种内存分配管理的方法，包括：
响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；
在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。
可选地，所述方法还包括：在为所述用户空间分配物理内存之前，为物理内存节点设置内存类型字段，以及在内核驱动初始化阶段，根据所述物理内存的内存类型在所述内存类型字段写入所述内存类型标识。
可选地，所述方法还包括：在所述内存类型标识不为预设标识的情况下，对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存。
可选地，采用伙伴***为所述用户空间分配物理内存。
可选地，所述虚拟机进程采用数据平面开发套件处理数据包。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种内存分配管理的装置，包括：
内存分配模块，响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；
内存清零模块，在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。
可选地，所述装置还包括初始化模块，用于：在为所述用户空间分配物理内存之前，为物理内存节点设置内存类型字段，以及在内核驱动初始化阶段，根据所述物理内存的内存类型在所述内存类型字段写入所述内存类型标识。
可选地，所述内存清零模块还用于：在所述内存类型标识不为预设标识的情况下，对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存。
可选地，所述内存分配模块采用伙伴***为所述用户空间分配物理内存。
可选地，所述虚拟机进程采用数据平面开发套件处理数据包。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种内存分配管理的电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例第一方面提供的方法。
根据本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例第一方面提供的方法。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：通过设置内存类型标识，能够判断所分配的物理内存是否是读带宽大于写带宽的内存；通过在所分配的物理内存为预设标识内存的情况下进一步判断所分配的物理内存是否为空闲内存，以及在所分配的物理内存不为空闲内存的情况下对物理内存进行清零操作、在所分配的物理内存为空闲内存的情况下不进行清零操作，能够大幅提升基于读带宽大于写带宽类内存的虚拟机的创建以及启动速度。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例的内存分配管理的方法的主要流程的示意图；
图2是本发明可选实施例中物理内存注册的流程示意图；
图3是现有技术中创建和启动QEMU虚拟机的原理示意图；
图4是本发明一些实施例中创建和启动QEMU虚拟机的原理示意图；
图5是本发明实施例的内存分配管理的装置的主要模块的示意图；
图6是本发明实施例可以应用于其中的示例性***架构图；
图7是适于用来实现本发明实施例的终端设备或服务器的计算机***的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
通常，CPU(Central Processing Unit/Processor，中央处理器)通过地址总线可以访问连接在地址总线上的所有外设，包括物理内存、IO(Input/Output，输入/输出)设备等等，但从CPU发出的访问地址并非是这些外设在地址总线上的物理地址，而是一个虚拟地址，由MMU(Memory Management Unit，内存管理单元)将虚拟地址转换成物理地址再从地址总线上发出，MMU上这种虚拟地址和物理地址的转换关系是需要创建的，创建上述转换关系的过程即页表映射的过程。当没有创建一个虚拟地址到物理地址的映射，或者对应物理内存中不能写入的时候，MMU将会通知CPU产生缺页异常。通过为虚拟地址分配物理内存，可以解决缺页异常问题。创建页表映射，并将相应物理内存映射给虚拟地址空间之后，为了保证***运行稳定性，通常会对所分配的物理内存进行清理操作，清零操是将相应地址处的内存全部写入0的操作。通过清理操作可以将对应物理内存转换为空闲内存，从而可以进行写入操作。
对于读带宽大于写带宽的内存，由于写带宽的限制，清零操作会占用大量时间，从而增加虚拟机的创建和启动时间。这种现象在大内存型虚拟机中尤为明显，即使增加进行页表映射以及内存分配的并发度，也难以有效提升虚拟机创建和启动的速度。
有鉴于此，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种内存分配管理的方法。
图1是本发明实施例的内存分配管理的方法的主要流程的示意图。如图1所示，根据本发明实施例的内存分配管理的方法，包括：
步骤S101，响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；
步骤S102，判断所述内存类型标识是否为预设标识；在所述内存类型标识为预设标识的情况下跳转至步骤S103，否则跳转至步骤S105；
步骤S103，判断所述物理内存是否为空闲内存；在所述物理内存不为空闲内存的情况下跳转至步骤S104，否则流程结束；
步骤S105，对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存。
本发明实施例中，为可以分配给虚拟机进程的内存设置内存类型标识，其中读带宽大于写带宽的内存对应的内存类型标识为预设标识。实际应用过程中，在为所述用户空间分配物理内存之前，可以为物理内存节点设置内存类型字段，以及在内核驱动初始化阶段，根据所述物理内存的内存类型在所述内存类型字段写入所述内存类型标识。示例性地，在可以分配给虚拟机进程的内存节点，通过增加numa(非一致性内存访问技术)中node(numa的一个节点)的特征字段(feature)来表明内存的类型。例如，内存节点的/sys/devices/system/node/nodeN目录下增加memory_type字段。当kmem(一种内核驱动)驱动初始化时，若为用户空间映射分配的物理内存是读带宽大于写带宽的内存，则将此字段设置成optane，若为用户空间分配的物理内存是读带宽小于等于写带宽的内存，则将此字段设置为dram。图2是本发明可选实施例中物理内存注册的流程示意图。如图2所示，读带宽大于写带宽的内存的节点注册流程包括：步骤S201，内存初始化；步骤S202，设置内存节点的内存类型标识为optane；步骤S203，注册内存节点。
本发明实施例中，通过设置内存类型标识，能够判断所分配的物理内存是否是读带宽大于写带宽的内存；通过在所分配的物理内存为预设标识内存的情况下进一步判断所分配的物理内存是否为空闲内存，以及在所分配的物理内存不为空闲内存的情况下对物理内存进行清零操作、在所分配的物理内存为空闲内存的情况下不进行清零操作，能够大幅提升基于读带宽大于写带宽类内存的虚拟机的创建以及启动速度。
若为用户空间分配的物理内存的内存类型标识不是预设标识，可以采用步骤S103-S105的方式判断是否进行清理操作，也可以不进行判断，直接对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存。对于不具有预设标识的物理内存，其写带宽大于等于读带宽，由于写带宽相对较高，因此清零操作的速度相对较快，对其不进行步骤S103的逻辑判断，而是直接进行清零操作，能够提升内存分配管理的效率。
为每个用户空间所分配的物理内存的确定方式可以根据实际情况选择性确定，可选地，采用伙伴***为所述用户空间分配物理内存。伙伴***是一种Linux内核内存分配***，以4K页面为管理单位。考虑到***运行的时候部分数据结构是很小的，本发明实施例还可以使用slab(一种内存分配机制)为所述用户空间分配物理内存，以降低内存分配粒度。
虚拟机进程采用数据平面开发套件(Intel Data Plane Development Kit，DPDK)处理数据包。采用DPDK技术能够大幅提升***转发性能。
以下结合图3和图4对本发明实施例的内存分配管理的方法进行示例性说明。对于读带宽大于写带宽的内存，可以使用3D Xpoint技术，大幅提高内存的存储速度和存储密度，从而提高内存的耐用性，降低成本。目前Linux内核可以通过使用kmem驱动将读带宽大于写带宽的内存在AD模式(app direct模式，在此种模式下，***软件可以对内存做控制以及管理)下扩展成单独的numa node来进行使用。
QEMU(Quick EMUlato，一种虚拟机模拟软件，可搭配KVM完成虚拟机的模拟，可以应用于云计算场景)虚拟机可以通过大页的方式来分配内存，当指定QEMU虚拟机的大页在读带宽大于写带宽的内存所在的numa node上分配时。QEMU虚拟机就可以将该内存以虚拟普通内存的方式给虚拟机客户机操作***使用。图3是现有技术中创建和启动QEMU虚拟机的原理示意图。当QEMU虚拟机使用DPDK方案时，因为DPDK与虚拟机共享内存，QEMU需要提前对所有内存进行分配，所对应的操作为touch pages。内核在QEMU touch pages阶段会进行页表映射以及内存分配，最后对内存进行清零操作。由于读带宽大于写带宽的内存的读写带宽不一致，读带宽是写带宽的很多倍。当遇到大内存型虚拟机如1T内存，内核在进行内存清零操作时会占用大量时间，并且由于写带宽的限制，即使增加touch pages并发度也不能提升内存清零操作的速度。在这种情况下虚拟机的创建以及启动时间比普通内存增大很多倍。
本发明实施例针对读带宽大于写带宽的内存的特点以及现有内核分配内存的方式，通过改进内核清理读带宽大于写带宽的内存的流程，优化了使用读带宽大于写带宽的大内存云主机的启动速度。图4是本发明一些实施例中创建和启动QEMU虚拟机的原理示意图。参见图4，本实施例的技术方案包括两个部分：
一，首先通过增加numa node的feature来表明是否是读带宽大于写带宽的内存。具体地，在/sys/devices/system/node/nodeN目录下增加memory_type字段，当kmem驱动初始化时会将读带宽大于写带宽的内存此字段设置成optane，普通内存节点此字段为dram；
二，当内核伙伴***分配页面给用户空间时，在清零前判断所在numa node的memory_type字段是否为optane。如果是则首先读取这个页面的内存与0进行比较。如果全为0那么直接返回给用户不进行清零操作。如果不全为0则进行清零操作。如果为普通内存则与之前的流程一样，直接进行清零操作。
本实施例通过在numa node增加feature来判断为用户空间分配的物理内存是否为读带宽大于写带宽的内存，如果是读带宽大于写带宽的内存则首先对页面进行读取判断，如果全为0那么就不进行清零操作。如此能够在页面内容为零的情况下大幅提升读带宽大于写带宽的内存云主机的创建以及启动速度。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种实现上述方法的装置。
图5是本发明实施例的内存分配管理的装置的主要模块的示意图。如图5所示，内存分配管理的装置500包括：
内存分配模块501，响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；
内存清零模块502，在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。
可选地，所述装置还包括初始化模块，用于：在为所述用户空间分配物理内存之前，为物理内存节点设置内存类型字段，以及在内核驱动初始化阶段，根据所述物理内存的内存类型在所述内存类型字段写入所述内存类型标识。
可选地，所述内存清零模块还用于：在所述内存类型标识不为预设标识的情况下，对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存。
可选地，所述内存分配模块采用伙伴***为所述用户空间分配物理内存。
可选地，所述虚拟机进程采用数据平面开发套件处理数据包。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种内存分配管理的电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例第一方面提供的方法。
根据本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例第一方面提供的方法。
图6示出了可以应用本发明实施例的内存分配管理的方法或内存分配管理的装置的示例性***架构600。
如图6所示，***架构600可以包括终端设备601、602、603，网络604和服务器605。网络604用以在终端设备601、602、603和服务器605之间提供通信链路的介质。网络604可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
用户可以使用终端设备601、602、603通过网络604与服务器605交互，以接收或发送消息等。终端设备601、602、603上可以安装有各种通讯客户端应用，例如购物类应用、网页浏览器应用、搜索类应用、即时通信工具、邮箱客户端、社交平台软件等(仅为示例)。
终端设备601、602、603可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
服务器605可以是提供各种服务的服务器，例如对用户利用终端设备601、602、603所浏览的购物类网站提供支持的后台管理服务器(仅为示例)。后台管理服务器可以对接收到的产品信息查询请求等数据进行分析等处理，并将处理结果(例如目标推送信息、产品信息--仅为示例)反馈给终端设备。
需要说明的是，本发明实施例所提供的内存分配管理的方法一般由服务器605执行，相应地，内存分配管理的装置一般设置于服务器605中。
应该理解，图6中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。
下面参考图7，其示出了适于用来实现本发明实施例的终端设备的计算机***700的结构示意图。图7示出的终端设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图7所示，计算机***700包括中央处理单元(CPU)701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(RAM)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还存储有***700操作所需的各种程序和数据。CPU 701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。
以下部件连接至I/O接口705：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至I/O接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。
特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)701执行时，执行本发明的***中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括内存分配模块和内存清零模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，内存分配模块还可以被描述为“对所述物理内存进行清零操作的模块”。
作为另一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该设备执行时，使得该设备包括：响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。
根据本发明实施例的技术方案，通过设置内存类型标识，能够判断所分配的物理内存是否是读带宽大于写带宽的内存；通过在所分配的物理内存为预设标识内存的情况下进一步判断所分配的物理内存是否为空闲内存，以及在所分配的物理内存不为空闲内存的情况下对物理内存进行清零操作、在所分配的物理内存为空闲内存的情况下不进行清零操作，能够大幅提升基于读带宽大于写带宽类内存的虚拟机的创建以及启动速度。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内存分配管理的方法，其特征在于，包括：
响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；
在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在为所述用户空间分配物理内存之前，为物理内存节点设置内存类型字段，以及在内核驱动初始化阶段，根据所述物理内存的内存类型在所述内存类型字段写入所述内存类型标识。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述内存类型标识不为预设标识的情况下，对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用伙伴***为所述用户空间分配物理内存。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟机进程采用数据平面开发套件处理数据包。
6.一种内存分配管理的装置，其特征在于，包括：
内存分配模块，响应于虚拟机进程访问用户空间时产生缺页异常，为所述用户空间分配物理内存，获取所述物理内存的内存类型标识；
内存清零模块，在所述内存类型标识为预设标识的情况下，判断所述物理内存是否为空闲内存，以及在所述物理内存不为空闲内存的情况下对所述物理内存进行清零操作，以使所述物理内存成为空闲内存；其中，所述预设标识的物理内存的读带宽大于写带宽。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括初始化模块，用于：在为所述用户空间分配物理内存之前，为物理内存节点设置内存类型字段，以及在内核驱动初始化阶段，根据所述物理内存的内存类型在所述内存类型字段写入所述内存类型标识。
8.一种内存分配管理的电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-5中任一所述的方法。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的方法。
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