StratoVirt 中的 balloon 设备介绍

StratoVirt 是计算产业中面向云数据中心的企业级虚拟化 VMM，实现了一套架构统一支持虚拟机、容器、Serverless 三种场景。StratoVirt 在轻量低噪、软硬协同、Rust 语言级安全等方面具备关键技术竞争优势。

背景介绍：

通常，在同一台服务器上存在着不同的用户，而多数用户对内存的使用情况是一种间断性的使用。也就是说用户对内存的使用率并不是很高。在服务器这种多用户的场景中，如果很多个用户对于内存的使用率都不高的话，那么会存在服务器实际占用的内存并不饱满这样一种情况。实际上各个用户使用内存的分布图可能如下图所示（黄色部分表示 used 部分，绿色部分表示 free 的部分）。

解决方案：

为了解决上述服务器上内存使用率低的问题，可以将虚拟机中暂时不用的内存回收回来给其他虚拟机使用。而当被回收内存的虚拟机需要内存时，由 host 再将内存归还回去。有了这样的内存伸缩能力，服务器便可以有效提高内存的使用率。在 StratoVirt 中，我们使用 balloon 设备来对虚拟机中的空闲内存进行回收和释放。下面详细了解一下 StratoVirt 中的 balloon 设备。

balloon 设备简介：

由于 StratoVirt 只是负责为虚拟机分配内存，只能感知到每个虚拟机总的内存大小。但是在每个虚拟机中如何使用内存，内存剩余多少。StratoVirt 是无法感知的，也就无法得知该从虚拟机中回收多少内存了。为此，需要在虚拟机中放置一个“气球（balloon）”设备。该设备通过 virtio 半虚拟化框架来实现前后端通信。当 Host 端需要回收虚拟机内部的空闲内存时，balloon 设备“充气”膨胀，占用虚拟机内部内存。而将占用的内存交给 Host 使用。如果虚拟机的空闲内存被回收后，虚拟机内部由于业务要求突然需要内存时。位于虚拟机内部的 balloon 设备可以选择“放气”缩小。释放出更多的内存空间给虚拟机使用。

balloon 实现：

balloon 的具体代码实现位于 StratoVirt 项目的/virtio/src/balloon.rs 文件中，相关细节可阅读代码理解。代码架构如下：

 

virtio
├── Cargo.toml
└── src
    ├── balloon.rs
    ├── block.rs
    ├── console.rs
    ├── lib.rs
    ├── net.rs
    ├── queue.rs
    ├── rng.rs
    ├── vhost
    │   ├── kernel
    │   │   ├── mod.rs
    │   │   ├── net.rs
    │   │   └── vsock.rs
    │   └── mod.rs
    ├── virtio_mmio.rs
    └── virtio_pci.rs

 

由于 balloon 是一个 virtio 设备，所以在前后端通信时也使用了 virtio 框架提供的 virtio queue。当前 StratoVirt 支持两个队列：inflate virtio queue（ivq）和 deflate virtio queue（dvq）。这两个队列分别负责 balloon 设备的“充气”和“放气”。

气球的充放气时，前后端的信息是通过一个结构体来传递。

 

struct VirtioBalloonConfig {
    /// Number of pages host wants Guest to give up.
    pub num_pages: u32,
    /// Number of pages we've actually got in balloon.
    pub actual: u32,
}

 

因此后端向前端要内存的时候，只需要修改这个结构体中的 num_pages 的数值，然后通知前端。前端读取配置结构体中的 num_pages 成员。并与本身结构体中的 actual 对比，判断是进行 inflate 还是 deflate。

inflate

如果是 inflate，那么虚拟机以 4k 页为单位去申请虚拟机内存，并将申请到的内存地址保存在队列中。然后通过 ivq 将保存了分配好的页面地址的数组分批发往后端处理（virtio queue 队列长度最大 256，也就是一次最多只能传输 1M 内存信息，对于大于 1M 的内存只能分批传输）。后端通过得到信息后，找到相应的 MemoryRegion，将对应的 page 标记为”WILLNEED“。然后通知前端，完成配置。

deflate

如果是 deflate 则从保存申请到的内存地址队列中弹出一部分内存的地址。通过 dvq 分批次传输给后端处理。后端将 page 标记为“DONTNEED"。

下面结合代码进行说明：

定义 BalloonIoHandler 结构体作为处理 balloon 事件的主体。

 

struct BalloonIoHandler {
    /// The features of driver.
    driver_features: u64,
    /// Address space.
    mem_space: Arc,
    /// Inflate queue.
    inf_queue: Arc>,
    /// Inflate EventFd.
    inf_evt: EventFd,
    /// Deflate queue.
    def_queue: Arc>,
    /// Deflate EventFd.
    def_evt: EventFd,
    /* 省略 */
}

 

其中包含上述的两个 virtio 队列inf_queue和def_queue，以及对应的触发事件描述符（EventFd）inf_evt和def_evt。两个队列均使用了Mutex锁，保证了队列在同一时刻只有一个使用者对该队列进行操作。保证了多线程共享的数据安全。

 

fn process_balloon_queue(&mut self, req_type: bool) -> Result<()> {
    let queue = if req_type {
        &mut self.inf_queue
    } else {
        &mut self.def_queue
    }; //获得对应的队列
    let mut unlocked_queue = queue.lock().unwrap();
    while let Ok(elem) = unlocked_queue
        .vring
        .pop_avail(&self.mem_space, self.driver_features)
    {
        match Request::parse(&elem) {
            Ok(req) => {
                if !self.mem_info.has_huge_page() {
                    // 进行内存标记
                    req.mark_balloon_page(req_type, &self.mem_space, &self.mem_info);
                }
                /* 省略 */
            }
            Err(e) => {
                /* 省略错误处理 */
            }
        }
    }
    /* 省略 */
}

 

当相应的EventFd被触发后process_balloon_queue函数将会被调用。通过判断请求类型确定是“充气”还是”放气“，然后再从相应的队列中取数据进行内存标记。其中while let是 Rust 语言提供的一种循环模式匹配机制。借助该语法可以将队列中 pop 出来的所有数据遍历取出到elem中。

内存标记及优化：

标记内存在mark_balloon_page函数中进行实现，起初的实现思路为：将虚拟机传送过来的地址逐个进行标记。即，从队列中取出一个元素，转化为地址后立即进行标记。后来经过测试发现：balloon 设备在对页地址进行一页一页标记内存时花费时间巨大。而同时也发现通过虚拟机传回来的地址中有大段的连续内存段。于是通过改变标记方法：由原来的一页一页标记改为将这些连续的内存统一标记。大大节省了标记时间。下面代码为具体实现：

 

fn mark_balloon_page(
        &self,
        req_type: bool,
        address_space: &Arc,
        mem: &BlnMemInfo,
    ) {
        let advice = if req_type {
            libc::MADV_DONTNEED
        } else {
            libc::MADV_WILLNEED
        };
        /* 略 */
        for iov in self.iovec.iter() {
            let mut offset = 0;
            let mut hvaset = Vec::new();
            while let Some(pfn) = iov_to_buf::(address_space, iov, offset) {
                offset += std::() as u64;
                let gpa: GuestAddress = GuestAddress((pfn as u64) << VIRTIO_BALLOON_PFN_SHIFT);
                let hva = match mem.get_host_address(gpa) {
                    Some(addr) => addr,
                    None => {
                        /* 略 */
                    }
                };
                //将hva地址保存在hvaset的vec中
                hvaset.push(hva);
            }
            //对hvaset进行从小到大排序。
            hvaset.sort_by_key(|&b| Reverse(b));
            /* 略 */
                //将hvaset中连续的内存段进行标记
                while let Some(hva) = hvaset.pop() {
                    if last_addr == 0 {
                        free_len += 1;
                        start_addr = hva;
                    } else if hva == last_addr + BALLOON_PAGE_SIZE {
                        free_len += 1;
                    } else {
                        memory_advise(
                            start_addr as *const libc::c_void as *mut _,
                            (free_len * BALLOON_PAGE_SIZE) as usize,
                            advice,
                        );
                        free_len = 1;
                        start_addr = hva;
                    }

                    if count_iov == iov.iov_len {
                        memory_advise(
                            start_addr as *const libc::c_void as *mut _,
                            (free_len * BALLOON_PAGE_SIZE) as usize,
                            advice,
                        );
                    }
                    count_iov += std::() as u64;
                    last_addr = hva;
                }
            /* 略 */
        }
    }
}

 

首先将 virtio 队列中的地址全部取出，并保存在 vec 中，然后将该 vec 进行从小到大的排序。有利于快速找出连续的内存段并进行标记。由于 hvaset 中的地址是按照从小到大排列的，因此可以从头开始遍历 hvaset，遇到不连续的地址后将前面的连续段进行标记。这样就完成了由原来逐页标记到连续内存段统一标记的优化。

经过测试，StratoVirt 的 balloon 速度也有了极大的提高。

原文标题：StratoVirt 基于 Rust 的 balloon 功能实践

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　　审核编辑：彭菁