內(nèi)存是計算機系統(tǒng)最重要的資源之一，當(dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)存不足時，進程申請內(nèi)存將會失敗，從而導(dǎo)致其運行異?；蛘弑罎ⅰ?br>

Linux 內(nèi)核提供?swap?機制來解決內(nèi)存不足的情況，其原理是：

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核會將進程不常用的內(nèi)存交換（寫入）到磁盤中，然后將這些內(nèi)存歸還給系統(tǒng)，系統(tǒng)可以將這些內(nèi)存繼續(xù)分配給其他需要使用內(nèi)存的進程。

通過 swap 機制，系統(tǒng)可以將內(nèi)存分配給需求更迫切的進程。但由于 swap 機制需要進行 I/O 操作，所以一定程度上會影響系統(tǒng)性能。那么是否存在一種能夠節(jié)省內(nèi)存，而且對性能影響較少的機制呢？

在 Linux-3.14 引入了一種名為?zRAM?的技術(shù)，zRAM 的原理是：將進程不常用的內(nèi)存壓縮存儲，從而達到節(jié)省內(nèi)存的使用。如下圖所示：

zRAM 機制建立在 swap 機制之上，swap 機制是將進程不常用的內(nèi)存交換到磁盤中，而 zRAM 機制是將進程不常用的內(nèi)存壓縮存儲在內(nèi)存某個區(qū)域。所以 zRAM 機制并不會發(fā)生 I/O 操作，從而避免因 I/O 操作導(dǎo)致的性能下降。

zRAM原理

由于 zRAM 機制是建立在 swap 機制之上，而 swap 機制需要配置?文件系統(tǒng)?或?塊設(shè)備?來完成的。所以 zRAM 虛擬一個塊設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時，swap 機制將內(nèi)存寫入到這個虛擬的塊設(shè)備中。也就是說，zRAM 機制本質(zhì)上只是一個虛擬塊設(shè)備。

zRAM 的原理如下圖所示：

從上圖可以看出，在開啟了 zRAM 機制的情況下，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核會進行如下操作：

• 通過 swap 機制從系統(tǒng)中查找一些進程不常用的內(nèi)存。

• 將這些不常用的內(nèi)存交換到 zRAM 塊設(shè)備中，而 zRAM 塊設(shè)備首先會對這些不常用的內(nèi)存進行壓縮，然后存儲起來。

• 把不常用的內(nèi)存壓縮存儲到 zRAM 塊設(shè)備后，swap 機制會把這些不常用的內(nèi)存歸還給內(nèi)核。

• 當(dāng)進程訪問到這些被交換到 zRAM 塊設(shè)備的內(nèi)存時，swap 機制將會通過 zRAM 塊設(shè)備解壓這些內(nèi)存，并且重新建立與進程的地址映射關(guān)系。

啟用zRAM

1. 創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備

要啟用 zRAM，首先需要創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備。要創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備，可以使用以下命令：

num_devices?參數(shù)可以指定創(chuàng)建 zRAM 塊設(shè)備的個數(shù)，上面命令創(chuàng)建了一個 zRAM 塊設(shè)備，可以通過路徑?/dev/zram0?來訪問這個塊設(shè)備。

2. 設(shè)置 zRAM 塊設(shè)備的大小

創(chuàng)建完 zRAM 塊設(shè)備后，可以通過以下命令來設(shè)置其空間大?。?/p>

上面命令設(shè)置了?zram0?的大小為 512MB，也就是說，?zram0?能夠存儲 512MB 壓縮后的數(shù)據(jù)。

3. 壓縮算法選擇

zRAM 機制支持多種壓縮算法，不同的壓縮算法有不同的壓縮比率和壓縮速度，用戶可以按照自身的需求來選擇不同的壓縮算法。

要更改 zRAM 的壓縮算法，可以使用下面命令：

上面命令將 zRAM 的壓縮算法更改為?lzo，我們也可以通過下面命令來查看內(nèi)核支持哪些壓縮算法：

從上面命令的輸出可知，內(nèi)核支持?lzo?和?lz4?兩種壓縮算法。

4. 將 swap 交換設(shè)備設(shè)置為 zRAM

要將 swap 的交換設(shè)備設(shè)置為 zRAM 塊設(shè)備，可以使用以下命令：

當(dāng)執(zhí)行完上面這條命令后，內(nèi)核將會使用?zram0?作為 swap 的交換設(shè)備。

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zRAM實現(xiàn)

zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)代碼主要在?drivers/block/zram/zram_drv.c?文件中，下面我們主要圍繞此文件進行分析。

本文并不會介紹塊設(shè)備驅(qū)動的編寫流程，只會分析 swap 機制在進行內(nèi)存交換時，與 zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動的交互。

壓縮內(nèi)存

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時，內(nèi)核將會觸發(fā)?swap?機制。swap 機制首先會從系統(tǒng)中選擇一些進程不常用內(nèi)存，然后將這些不常用的內(nèi)存交換到?zRAM?塊設(shè)備中（使用 zRAM 塊設(shè)備作為交換設(shè)備的情況下）。

當(dāng) swap 機制將不常用的內(nèi)存交換到 zRAM 塊設(shè)備時，會調(diào)用?zram_make_request()?函數(shù)處理請求。而?zram_make_request()?最終會通過調(diào)用?zram_bvec_write()?函數(shù)來壓縮內(nèi)存，調(diào)用鏈如下：

我們來分析一下?zram_bvec_write()?函數(shù)的實現(xiàn)，其代碼如下：

為了簡化分析過程，我們對代碼進行精簡。從上面的代碼可以看出，zRAM 機制對內(nèi)存進行壓縮的步驟如下：

• 獲取需要進行壓縮的內(nèi)存，需要進行壓縮的內(nèi)存由 swap 機制提供。

• 通過?zcomp_compress()?函數(shù)對內(nèi)存進行壓縮，src?指針指向壓縮后的內(nèi)存地址。

• 通過?zs_malloc()?和?zs_map_object()?函數(shù)申請一塊新的內(nèi)存塊，大小為壓縮后數(shù)據(jù)的大小。

• 將壓縮后的數(shù)據(jù)復(fù)制到新申請的內(nèi)存塊中。

• 將壓縮后的數(shù)據(jù)記錄到?zRAM?塊設(shè)備的表格中。

由于 zRAM 塊設(shè)備是建立在內(nèi)存中的虛擬塊設(shè)備，所以其并沒有真實塊設(shè)備的特性。真實塊設(shè)備會將存儲空間劃分成一個個塊，而?zram_bvec_write()?函數(shù)的?index?參數(shù)就是數(shù)據(jù)塊的編號。此參數(shù)有 swap 機制提供，所以 zRAM 塊設(shè)備驅(qū)動通過 index 參數(shù)作為原始內(nèi)存數(shù)據(jù)的編號。

一圖勝千言：

zRAM驅(qū)動有個數(shù)據(jù)塊表，用來記錄原始內(nèi)存數(shù)據(jù)對應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)，此表的索引就是數(shù)據(jù)塊的編號。swap 機制會維護此表格的使用情況，如哪個塊是空閑的，哪個塊被占用等。

當(dāng)內(nèi)存頁被壓縮后，swap 機制將會把原來的內(nèi)存頁釋放掉，并且把所有映射到此內(nèi)存頁的進程解除映射，細節(jié)可以參考 swap 機制相關(guān)的資料。

對內(nèi)存進行解壓縮的過程與壓縮過程相反，有興趣的同學(xué)可以自行閱讀代碼，這里就不進行分析了。

原文作者：Linux內(nèi)核那些事