(KVM连载) 5.1.3 使用virtio_balloon（KVM中的Ballooning）(上）

最新推荐文章于 2025-02-19 16:10:25 发布

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本文介绍了内存气球（Ballooning）技术的基本概念及在KVM中的工作原理。Ballooning技术允许在客户机运行时动态调整其占用的宿主机内存资源。文章详细解释了Ballooning的工作流程，包括如何通过virtio_balloon驱动实现内存的充气与放气，以及这种方式的优势和潜在的挑战。

5.1.3 使用virtio_balloon

1. Ballooning简介

通常来说，要改变客户机占用的宿主机内存，是要先关闭客户机，修改启动时的内存配置，然后重启客户机才能实现。而内存的ballooning（气球）技术可以在客户机运行时动态地调整它所占用的宿主机内存资源，而不需要关闭客户机。

Ballooning技术形象地在客户机占用的内存中引入气球（Balloon）的概念，气球中的内存是可以供宿主机使用的（但不能被客户机访问或使用），所以，当宿主机内存使用紧张，空余内存不多时，可以请求客户机回收利用已分配给客户机的部分内存，客户机就会释放其空闲的内存，此时若客户机空闲内存不足，可能还会回收部分使用中的内存，可能会换出部分内存到客户机的交换分区（swap）中，从而使得内存气球充气膨胀，从而让宿主机回收气球中的内存可用于其他进程（或其他客户机）。反之，当客户机中内存不足时，也可以让客户机的内存气球压缩，释放出内存气球中的部分内存，让客户机使用更多的内存。

很多现代的虚拟机，如KVM、Xen、VMware等，都对Ballooning技术提供支持。关于内存Balloon的概念，其示意图如图5-9所示。

linux ballooning

图5-9 内存Balloon的概念

2. KVM中Ballooning的原理及其优劣势

KVM中Ballooning的工作过程主要如下几个步骤：

1. Hypervisor（即KVM）发送请求到客户机操作系统让其归还一定数量的内存给hypervisor。

2. 客户机操作系统中的virtio_balloon驱动接收到hypervisor的请求。

3. virtio_balloon驱动使客户机的内存气球膨胀，气球中的内存就不能被客户机访问。如果此时客户机中内存剩余量不多（如某应用程序绑定/申请了大量的内存），并不能让内存气球膨胀到足够大以满足hypervisor的请求，那么virtio_balloon驱动也会让尽可能多地提供内存内存使气球膨胀，尽量去满足hypervisor的请求中的内存数量（即使不一定能完全满足）。

4. 客户机操作系统归还气球中的内存给hypervisor。

5. hypervisor可以将从气球中得来的内存分配到任何需要的地方。

6. 如果从气球中得到来内存没有处于使用中，hypervisor也可以将内存返还到客户机中，这个过程为：a. hypervisor发请求到客户机的virtio_balloon驱动；b. 这个请求让客户机操作系统压缩内存气球；c. 在气球中的内存被释放出来，重新让客户机可以访问和使用。

Ballooning在节约内存和灵活分配内存方面有明显的优势，其好处有如下三点。

第一，因为能够控制和监控ballooning，所以ballooning能够潜在地节约大量的内存。它不同于内存页共享技术（KSM是内核自发完成的、不可控），客户机系统的内存只有在通过命令行调整balloon时才会随之改变，所以能够监控系统内存并验证ballooning引起的变化。

第二，Ballooning对内存的调节很灵活，既可以精细的请求少量内存，又可以粗犷的请求大量的内存。

第三，hypervisor使用ballooning让客户机归还部分内存，从而可以缓解其内存压力。而且从气球中回收的内存也不要求一定要被分配给另外某个进程（或另外的客户机）。

从另一方面来说，KVM中ballooning的使用不方便、不完善的地方也是存在的，其缺点也有如下几个。

1. Ballooning需要客户机操作系统加载virtio_balloon驱动，然而并非每个客户机系统都有该驱动（如windows需要自己安装该驱动）。

2. 如果有大量内存从客户机系统中回收，Ballooning可能会降低客户机操作系统运行的性能。一方面，内存的减少，可能会让客户机中作为磁盘数据缓存的内存被放到气球中，从而客户机中的磁盘I/O访问会增加；另一方面，如果处理机制不够好，也可能让客户机中正在运行的进程由于内存不足而执行失败。

3. 目前没有比较方便的、自动化的机制来管理ballooning，一般都是采用在QEMU monitor中执行balloon命令来实现ballooning的。没有对客户机的有效监控，没有自动化的ballooning机制，这可能会让生产环境中实现大规模自动化部署并不很方便。

4. 内存的动态增加或减少，可能会使内存被过度碎片化，从而降低内存使用时的性能。另外，内存的变化会影响到客户机内核对内存使用的优化，比如：内核起初根据目前状态对内存的分配采取了某个策略，而突然由于balloon的效果让可用内存减少了很多，这时起初的内存策略可能就不是太优化的了。