一文读懂｜zRAM 内存压缩机制

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。

对内存进行解压缩的过程与压缩过程相反，有兴趣的同学可以自行阅读代码，这里就不进行分析了。