zRAM内存压缩机制详解

内存是计算机系统最重要的资源之一，当操作系统内存不足时，进程申请内存将会失败，从而导致其运行异常或者崩溃。

Linux 内核提供 swap 机制来解决内存不足的情况，其原理是：

当系统内存不足时，内核会将进程不常用的内存交换（写入）到磁盘中，然后将这些内存归还给系统，系统可以将这些内存继续分配给其他需要使用内存的进程。

通过 swap 机制，系统可以将内存分配给需求更迫切的进程。但由于 swap 机制需要进行 I/O 操作，所以一定程度上会影响系统性能。那么是否存在一种能够节省内存，而且对性能影响较少的机制呢？

在 Linux-3.14 引入了一种名为 zRAM 的技术，zRAM 的原理是：将进程不常用的内存压缩存储，从而达到节省内存的使用。如下图所示：

zRAM 机制建立在 swap 机制之上，swap 机制是将进程不常用的内存交换到磁盘中，而 zRAM 机制是将进程不常用的内存压缩存储在内存某个区域。所以 zRAM 机制并不会发生 I/O 操作，从而避免因 I/O 操作导致的性能下降。

zRAM原理

由于 zRAM 机制是建立在 swap 机制之上，而 swap 机制需要配置 文件系统 或 块设备 来完成的。所以 zRAM 虚拟一个块设备，当系统内存不足时，swap 机制将内存写入到这个虚拟的块设备中。也就是说，zRAM 机制本质上只是一个虚拟块设备。

zRAM 的原理如下图所示：

从上图可以看出，在开启了 zRAM 机制的情况下，当系统内存不足时，内核会进行如下操作：

通过 swap 机制从系统中查找一些进程不常用的内存。

将这些不常用的内存交换到 zRAM 块设备中，而 zRAM 块设备首先会对这些不常用的内存进行压缩，然后存储起来。

把不常用的内存压缩存储到 zRAM 块设备后，swap 机制会把这些不常用的内存归还给内核。

当进程访问到这些被交换到 zRAM 块设备的内存时，swap 机制将会通过 zRAM 块设备解压这些内存，并且重新建立与进程的地址映射关系。

启用zRAM

1. 创建 zRAM 块设备

要启用 zRAM，首先需要创建 zRAM 块设备。要创建 zRAM 块设备，可以使用以下命令：

 

modprobe zram num_devices=1

 

num_devices 参数可以指定创建 zRAM 块设备的个数，上面命令创建了一个 zRAM 块设备，可以通过路径 /dev/zram0 来访问这个块设备。

2. 设置 zRAM 块设备的大小

创建完 zRAM 块设备后，可以通过以下命令来设置其空间大小：

 

echo 512M > /sys/block/zram0/disksize

 

上面命令设置了 zram0 的大小为 512MB，也就是说， zram0 能够存储 512MB 压缩后的数据。

3. 压缩算法选择

zRAM 机制支持多种压缩算法，不同的压缩算法有不同的压缩比率和压缩速度，用户可以按照自身的需求来选择不同的压缩算法。

要更改 zRAM 的压缩算法，可以使用下面命令：

 

echo lzo > /sys/block/zram0/comp_algorithm

 

上面命令将 zRAM 的压缩算法更改为 lzo，我们也可以通过下面命令来查看内核支持哪些压缩算法：

 

cat /sys/block/zram0/comp_algorithm
lzo [lz4]

 

从上面命令的输出可知，内核支持 lzo 和 lz4 两种压缩算法。

4. 将 swap 交换设备设置为 zRAM

要将 swap 的交换设备设置为 zRAM 块设备，可以使用以下命令：

 

mkswap /dev/zram0

 

当执行完上面这条命令后，内核将会使用 zram0 作为 swap 的交换设备。

zRAM实现

zRAM 块设备驱动的实现代码主要在 drivers/block/zram/zram_drv.c 文件中，下面我们主要围绕此文件进行分析。

本文并不会介绍块设备驱动的编写流程，只会分析 swap 机制在进行内存交换时，与 zRAM 块设备驱动的交互。

压缩内存

当系统内存不足时，内核将会触发 swap 机制。swap 机制首先会从系统中选择一些进程不常用内存，然后将这些不常用的内存交换到 zRAM 块设备中（使用 zRAM 块设备作为交换设备的情况下）。

当 swap 机制将不常用的内存交换到 zRAM 块设备时，会调用 zram_make_request() 函数处理请求。而 zram_make_request() 最终会通过调用 zram_bvec_write() 函数来压缩内存，调用链如下：

 

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

 

我们来分析一下 zram_bvec_write() 函数的实现，其代码如下：

 

static int
zram_bvec_write(struct zram *zram, struct bio_vec *bvec, u32 index, int offset)
{
    ...
    // 1. 获取需要进行压缩的内存
    page = bvec->bv_page;
    ...
    user_mem = kmap_atomic(page);
    uncmem = user_mem;

    ...
    // 2. 对内存进行压缩
    ret = zcomp_compress(zram->comp, zstrm, uncmem, &clen);
    ...

    // 3. 获取压缩后的数据
    src = zstrm->buffer;
    ...

    // 4. 申请一个内存块保存压缩后的数据
    handle = zs_malloc(meta->mem_pool, clen);
    ...
    cmem = zs_map_object(meta->mem_pool, handle, ZS_MM_WO);

    // 5. 将压缩后的数据保存到新申请的内存块中
    memcpy(cmem, src, clen);
    ...

    // 6. 将压缩后的数据登记到 zRAM 块设备的表格中
    meta->table[index].handle = handle;
    ...
    return ret;
}

 

为了简化分析过程，我们对代码进行精简。从上面的代码可以看出，zRAM 机制对内存进行压缩的步骤如下：

获取需要进行压缩的内存，需要进行压缩的内存由 swap 机制提供。

通过 zcomp_compress() 函数对内存进行压缩，src 指针指向压缩后的内存地址。

通过 zs_malloc() 和 zs_map_object() 函数申请一块新的内存块，大小为压缩后数据的大小。

将压缩后的数据复制到新申请的内存块中。

将压缩后的数据记录到 zRAM 块设备的表格中。

由于 zRAM 块设备是建立在内存中的虚拟块设备，所以其并没有真实块设备的特性。真实块设备会将存储空间划分成一个个块，而 zram_bvec_write() 函数的 index 参数就是数据块的编号。此参数有 swap 机制提供，所以 zRAM 块设备驱动通过 index 参数作为原始内存数据的编号。

一图胜千言：

zRAM驱动有个数据块表，用来记录原始内存数据对应的压缩数据，此表的索引就是数据块的编号。swap 机制会维护此表格的使用情况，如哪个块是空闲的，哪个块被占用等。

当内存页被压缩后，swap 机制将会把原来的内存页释放掉，并且把所有映射到此内存页的进程解除映射，细节可以参考 swap 机制相关的资料。

审核编辑：刘清