[发明专利]一种支持新型大页框架的KVM系统

说明书

本发明公开了一种支持新型大页框架的KVM系统，包括内存虚拟化单元，单元中包含了EPT页故障处理模块和页表项删除模块。本发明通过对KVM模块和PHPA框架进行修改，提出了改造KVM的具体方法以及相关实现，使两者有机结合起来，并且该实现通过了相关测试，使得PHPA大页框架具有很好的扩展性，解决了Linux hugetlbfs静态大页很多问题。此外，本发明通过进一步修改KVM模块实现了对虚拟机冷热页的统计，最终形成了一个新的KVM系统，使得PHPA框架从实验室走向工业界迈出了非常关键的一步。

技术领域

本发明属于云服务技术领域，具体涉及一种支持新型大页框架的KVM(Kernel-based Virtual Machine，基于内核的虚拟机)系统。

背景技术

如今，云计算发展如火如荼，市场上涌现出大量云服务提供商，如亚马逊、微软、阿里云等公司，他们无不希望用可接受的硬件成本提供高效而大量的服务，这就要求对现有硬件的高效实用。

现今大部分的云服务是建立在大规模的服务器集群上，对于单个物理服务器又往往使用了虚拟化技术来复用硬件，以达到在不影响运行的情况下承载尽可能多业务的目的。因而，单台物理服务器上往往运行着数十乃至上百的虚拟机，这时候对硬件的利用程度将直接影响业务的运行质量和数量。在CPU、内存、I/O这几个方面中，物理内存是比较好优化的一个点，而且目前主流服务器的物理内存普遍达到256G甚至更高，在这种情况下，内存优化带来的实际效益也是很高的。如Linux内核本身就有KSM(Kernel Samepage Merging，内核同页合并)技术，用于合并重复页。此外，此种大内存情况下，系统往往会开启大页机制，因为继续使用传统的4KB小页帧将带来如下瓶颈：①大量的内存管理结构开销，如256G的物理内存需要使用2²⁶个struct page结构体。②TLB又称快表，是页表的cache，CPU访问TLB速度远高于访问内存，但是TLB容量很小，细粒度的分页导致TLB miss的可能性很高，对业务运行效率造成很大的影响。

现有的Linux内核中对大页的支持分为两种：一是静态大页机制，二是透明大页机制。两种大页机制均是由普通4KB小页扩展而来，其管理结构构建在小页的管理结构之上，如代表页帧的结构体仍为struct page，每512个连续的struct page复合成一个大页，这样做虽然有效克服了上述问题②，但是问题①仍然没解决，且其扩展性不是很好，如两种大页均不支持KSM和数据压缩，其中静态大页本身就不能交换或压缩，而透明大页在交换或者压缩前会被split成普通小页。

因而国内某课题组提出了全新的大页框架——PHPA(Pristine Huge PageAllocator，原生大页分配器)，该框架使用全新的数据结构进行管理，且兼容了hugetlbfs的接口，在元数据开销方面仅为原来的1/512。但是PHPA框架存在一个严重的问题，那就是与原生的KVM模块不兼容。宏观地来看，这主要是PHPA框架采用新的页描述符引起的，而新的页描述符是PHPA具有良好扩展性的根本基础，是无法舍弃的设计，因而为了使PHPA框架运行在以KVM为hypervisor的虚拟化环境下，就要求对KVM模块进行改造。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种支持新型大页框架的KVM系统，通过对KVM模块进行改造，使得新型大页框架PHPA可运行于以KVM为hypervisor的虚拟化环境下，并增强了KVM的功能。

一种支持新型大页框架的KVM系统，包括内存虚拟化单元，其负责虚拟机的内存管理；所述内存虚拟化单元包括有EPT(Extended Page Tables，扩展页表)页故障处理模块和页表项删除模块，EPT页故障处理模块负责对EPT页表进行缺页处理，页表项删除模块用于在释放页时对相应的页表项进行删除；

所述EPT页故障处理模块包括：

Level计算子模块，判断EPT页表中所缺的EPT页表项为4KB页表项或是2M页表项；