31、MedusaVM：提升虚拟机系统可扩展性与内存效率

MedusaVM：提升虚拟机系统可扩展性与内存效率

1. 引言

在多核心计算环境下，传统虚拟机（VM）系统面临着可扩展性瓶颈和内存使用效率低下的问题。MedusaVM 旨在解决这些问题，通过去中心化的设计和并行编程技术，实现系统可扩展性和内存效率的同时提升。

2. 背景与动机

2.1 集中式地址空间

以 Linux 内核为例，传统的集中式 VM 系统设计存在可扩展性问题。在 x86 64 架构中，VM 系统主要由进程特定的虚拟内存空间和页表树组成。虚拟地址空间被划分为不相交的内存区域，内核使用 VMA 结构记录这些区域的详细信息。

在 Linux 内核中，所有 VMA 结构按区域结束地址索引，并组织在一个由全局读写信号量 mm_sem 保护的红黑树中。全局锁不仅序列化了并发的 VM 系统操作，还引入了显著的锁竞争开销。虽然 Linux 内核采用了乐观旋转策略来减少锁竞争，但这种解决方案只能缓解问题，无法从根本上解决可扩展性问题。

此外，允许线程并发操作全局地址空间的先前 VM 系统，其集中式设计会在线程之间引入额外的性能干扰，导致系统性能下降。

2.2 集中式页表树

页表层次结构记录了虚拟地址和物理地址之间的映射。线程查询同一页表，进行页表遍历并检查访问权限。当发生页错误时，出错线程获取页表锁，必要时构建页表层次结构并填充页表项。

Linux 内核提供了两种不同粒度的锁方案来保护页表：全局 PGDIR 锁保护整个页表树，独立的自旋锁 PTE 锁与最后两级页表（PMD 和 PTE）关联。页表锁的切换成本很高，主要是由于缓存一致性协议，这限制了并行性。