StratoVirt 是計(jì)算產(chǎn)業(yè)中面向云數(shù)據(jù)中心的企業(yè)級虛擬化 VMM，實(shí)現(xiàn)了一套架構(gòu)統(tǒng)一支持虛擬機(jī)、容器、Serverless 三種場景。StratoVirt 在輕量低噪、軟硬協(xié)同、Rust 語言級安全等方面具備關(guān)鍵技術(shù)競爭優(yōu)勢。

背景介紹：

通常，在同一臺(tái)服務(wù)器上存在著不同的用戶，而多數(shù)用戶對內(nèi)存的使用情況是一種間斷性的使用。也就是說用戶對內(nèi)存的使用率并不是很高。在服務(wù)器這種多用戶的場景中，如果很多個(gè)用戶對于內(nèi)存的使用率都不高的話，那么會(huì)存在服務(wù)器實(shí)際占用的內(nèi)存并不飽滿這樣一種情況。實(shí)際上各個(gè)用戶使用內(nèi)存的分布圖可能如下圖所示（黃色部分表示 used 部分，綠色部分表示 free 的部分）。

解決方案：

為了解決上述服務(wù)器上內(nèi)存使用率低的問題，可以將虛擬機(jī)中暫時(shí)不用的內(nèi)存回收回來給其他虛擬機(jī)使用。而當(dāng)被回收內(nèi)存的虛擬機(jī)需要內(nèi)存時(shí)，由 host 再將內(nèi)存歸還回去。有了這樣的內(nèi)存伸縮能力，服務(wù)器便可以有效提高內(nèi)存的使用率。在 StratoVirt 中，我們使用 balloon 設(shè)備來對虛擬機(jī)中的空閑內(nèi)存進(jìn)行回收和釋放。下面詳細(xì)了解一下 StratoVirt 中的 balloon 設(shè)備。

balloon 設(shè)備簡介：

由于 StratoVirt 只是負(fù)責(zé)為虛擬機(jī)分配內(nèi)存，只能感知到每個(gè)虛擬機(jī)總的內(nèi)存大小。但是在每個(gè)虛擬機(jī)中如何使用內(nèi)存，內(nèi)存剩余多少。StratoVirt 是無法感知的，也就無法得知該從虛擬機(jī)中回收多少內(nèi)存了。為此，需要在虛擬機(jī)中放置一個(gè)“氣球（balloon）”設(shè)備。該設(shè)備通過 virtio 半虛擬化框架來實(shí)現(xiàn)前后端通信。當(dāng) Host 端需要回收虛擬機(jī)內(nèi)部的空閑內(nèi)存時(shí)，balloon 設(shè)備“充氣”膨脹，占用虛擬機(jī)內(nèi)部內(nèi)存。而將占用的內(nèi)存交給 Host 使用。如果虛擬機(jī)的空閑內(nèi)存被回收后，虛擬機(jī)內(nèi)部由于業(yè)務(wù)要求突然需要內(nèi)存時(shí)。位于虛擬機(jī)內(nèi)部的 balloon 設(shè)備可以選擇“放氣”縮小。釋放出更多的內(nèi)存空間給虛擬機(jī)使用。

balloon 實(shí)現(xiàn)：

balloon 的具體代碼實(shí)現(xiàn)位于 StratoVirt 項(xiàng)目的/virtio/src/balloon.rs 文件中，相關(guān)細(xì)節(jié)可閱讀代碼理解。代碼架構(gòu)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 是一個(gè) virtio 設(shè)備，所以在前后端通信時(shí)也使用了 virtio 框架提供的 virtio queue。當(dāng)前 StratoVirt 支持兩個(gè)隊(duì)列：inflate virtio queue（ivq）和 deflate virtio queue（dvq）。這兩個(gè)隊(duì)列分別負(fù)責(zé) balloon 設(shè)備的“充氣”和“放氣”。

氣球的充放氣時(shí)，前后端的信息是通過一個(gè)結(jié)構(gòu)體來傳遞。

structVirtioBalloonConfig{
///NumberofpageshostwantsGuesttogiveup.
pubnum_pages:u32,
///Numberofpageswe'veactuallygotinballoon.
pubactual:u32,
}

因此后端向前端要內(nèi)存的時(shí)候，只需要修改這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的 num_pages 的數(shù)值，然后通知前端。前端讀取配置結(jié)構(gòu)體中的 num_pages 成員。并與本身結(jié)構(gòu)體中的 actual 對比，判斷是進(jìn)行 inflate 還是 deflate。

inflate

如果是 inflate，那么虛擬機(jī)以 4k 頁為單位去申請?zhí)摂M機(jī)內(nèi)存，并將申請到的內(nèi)存地址保存在隊(duì)列中。然后通過 ivq 將保存了分配好的頁面地址的數(shù)組分批發(fā)往后端處理（virtio queue 隊(duì)列長度最大 256，也就是一次最多只能傳輸 1M 內(nèi)存信息，對于大于 1M 的內(nèi)存只能分批傳輸）。后端通過得到信息后，找到相應(yīng)的 MemoryRegion，將對應(yīng)的 page 標(biāo)記為”WILLNEED“。然后通知前端，完成配置。

deflate

如果是 deflate 則從保存申請到的內(nèi)存地址隊(duì)列中彈出一部分內(nèi)存的地址。通過 dvq 分批次傳輸給后端處理。后端將 page 標(biāo)記為“DONTNEED"。

下面結(jié)合代碼進(jìn)行說明：

定義 BalloonIoHandler 結(jié)構(gòu)體作為處理 balloon 事件的主體。

structBalloonIoHandler{
///Thefeaturesofdriver.
driver_features:u64,
///Addressspace.
mem_space:Arc,
///Inflatequeue.
inf_queue:Arc>,
///InflateEventFd.
inf_evt:EventFd,
///Deflatequeue.
def_queue:Arc>,
///DeflateEventFd.
def_evt:EventFd,
/*省略*/
}

其中包含上述的兩個(gè) virtio 隊(duì)列inf_queue和def_queue，以及對應(yīng)的觸發(fā)事件描述符（EventFd）inf_evt和def_evt。兩個(gè)隊(duì)列均使用了Mutex鎖，保證了隊(duì)列在同一時(shí)刻只有一個(gè)使用者對該隊(duì)列進(jìn)行操作。保證了多線程共享的數(shù)據(jù)安全。

fnprocess_balloon_queue(&mutself,req_type:bool)->Result<()>{
letqueue=ifreq_type{
&mutself.inf_queue
}else{
&mutself.def_queue
};//獲得對應(yīng)的隊(duì)列
letmutunlocked_queue=queue.lock().unwrap();
whileletOk(elem)=unlocked_queue
.vring
.pop_avail(&self.mem_space,self.driver_features)
{
matchRequest::parse(&elem){
Ok(req)=>{
if!self.mem_info.has_huge_page(){
//進(jìn)行內(nèi)存標(biāo)記
req.mark_balloon_page(req_type,&self.mem_space,&self.mem_info);
}
/*省略*/
}
Err(e)=>{
/*省略錯(cuò)誤處理*/
}
}
}
/*省略*/
}

當(dāng)相應(yīng)的EventFd被觸發(fā)后process_balloon_queue函數(shù)將會(huì)被調(diào)用。通過判斷請求類型確定是“充氣”還是”放氣“，然后再從相應(yīng)的隊(duì)列中取數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)存標(biāo)記。其中while let是 Rust 語言提供的一種循環(huán)模式匹配機(jī)制。借助該語法可以將隊(duì)列中 pop 出來的所有數(shù)據(jù)遍歷取出到elem中。

內(nèi)存標(biāo)記及優(yōu)化：

標(biāo)記內(nèi)存在mark_balloon_page函數(shù)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，起初的實(shí)現(xiàn)思路為：將虛擬機(jī)傳送過來的地址逐個(gè)進(jìn)行標(biāo)記。即，從隊(duì)列中取出一個(gè)元素，轉(zhuǎn)化為地址后立即進(jìn)行標(biāo)記。后來經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：balloon 設(shè)備在對頁地址進(jìn)行一頁一頁標(biāo)記內(nèi)存時(shí)花費(fèi)時(shí)間巨大。而同時(shí)也發(fā)現(xiàn)通過虛擬機(jī)傳回來的地址中有大段的連續(xù)內(nèi)存段。于是通過改變標(biāo)記方法：由原來的一頁一頁標(biāo)記改為將這些連續(xù)的內(nèi)存統(tǒng)一標(biāo)記。大大節(jié)省了標(biāo)記時(shí)間。下面代碼為具體實(shí)現(xiàn)：

fnmark_balloon_page(
&self,
req_type:bool,
address_space:&Arc,
mem:&BlnMemInfo,
){
letadvice=ifreq_type{
libc::MADV_DONTNEED
}else{
libc::MADV_WILLNEED
};
/*略*/
foriovinself.iovec.iter(){
letmutoffset=0;
letmuthvaset=Vec::new();
whileletSome(pfn)=iov_to_buf::(address_space,iov,offset){
offset+=std::()asu64;
letgpa:GuestAddress=GuestAddress((pfnasu64)<addr,
None=>{
/*略*/
}
};
//將hva地址保存在hvaset的vec中
hvaset.push(hva);
}
//對hvaset進(jìn)行從小到大排序。
hvaset.sort_by_key(|&b|Reverse(b));
/*略*/
//將hvaset中連續(xù)的內(nèi)存段進(jìn)行標(biāo)記
whileletSome(hva)=hvaset.pop(){
iflast_addr==0{
free_len+=1;
start_addr=hva;
}elseifhva==last_addr+BALLOON_PAGE_SIZE{
free_len+=1;
}else{
memory_advise(
start_addras*constlibc::c_voidas*mut_,
(free_len*BALLOON_PAGE_SIZE)asusize,
advice,
);
free_len=1;
start_addr=hva;
}

ifcount_iov==iov.iov_len{
memory_advise(
start_addras*constlibc::c_voidas*mut_,
(free_len*BALLOON_PAGE_SIZE)asusize,
advice,
);
}
count_iov+=std::()asu64;
last_addr=hva;
}
/*略*/
}
}
}

首先將 virtio 隊(duì)列中的地址全部取出，并保存在 vec 中，然后將該 vec 進(jìn)行從小到大的排序。有利于快速找出連續(xù)的內(nèi)存段并進(jìn)行標(biāo)記。由于 hvaset 中的地址是按照從小到大排列的，因此可以從頭開始遍歷 hvaset，遇到不連續(xù)的地址后將前面的連續(xù)段進(jìn)行標(biāo)記。這樣就完成了由原來逐頁標(biāo)記到連續(xù)內(nèi)存段統(tǒng)一標(biāo)記的優(yōu)化。

經(jīng)過測試，StratoVirt 的 balloon 速度也有了極大的提高。

原文標(biāo)題：StratoVirt 基于 Rust 的 balloon 功能實(shí)踐

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