OpenHarmony3.1 Release版本關鍵特性解析——Enhanced SWAP記憶體管理

針對傳統記憶體方案及管理機制的不足，OpenHarmony 構建了一套完善的記憶體解決方案——ESWAP。 ...

樊成陽華為技術有限公司內核專家

陳傑華為技術有限公司內核專家

OpenAtom OpenHarmony（以下簡稱“OpenHarmony”）是面向全場景泛終端設備的操作系統，終端設備記憶體性能的強弱會直接影響用戶的體驗。終端設備的記憶體差異很大，對於記憶體比較小的終端設備，記憶體優化方案無疑是增強記憶體性能、提升用戶體驗的關鍵。

針對傳統記憶體方案及管理機制的不足，OpenHarmony 構建了一套完善的記憶體解決方案——ESWAP。

1. 傳統記憶體方案及管理機制

在傳統的 Linux 記憶體優化方案中，終端設備通常採用 SWAP 及 ZRAM 記憶體方案。

1.1 SWAP

SWAP 即記憶體交換技術或虛擬記憶體技術，如圖 1 所示，在系統的物理記憶體不足時，把記憶體中的一部分不常用的記憶體空間釋放出來，以增大系統可用記憶體供當前運行的程式使用。這些被釋放的數據被臨時保存到 SWAP 分區中，等到需要使用時，再從 SWAP 分區中恢復到記憶體中。

圖1 SWAP虛擬記憶體技術

從圖 1 中不難看出，SWAP 記憶體交換技術增大了設備內用記憶體，但是，SWAP 記憶體換入/換出時會遭遇 IO 性能瓶頸，嚴重時甚至會影響用戶的使用體驗，並且 flash 存儲器件的頻繁讀寫也會縮減其壽命。

1.2 ZRAM

ZRAM 即記憶體壓縮技術，如圖 2 所示，在系統的物理記憶體不足時，將系統物理記憶體的一部分劃分出來作為 ZRAM 分區，然後把不常用的匿名頁壓縮後放到 ZRAM 分區里，相當於犧牲了一些 CPU 效率，以增大系統可用記憶體供當前運行的程式使用。等到需要使用時，再從 ZRAM 分區中將數據解壓出來。

圖2 ZRAM記憶體壓縮技術

雖然 ZRAM 在一定程度上增大了設備內用記憶體，但是如果沒有合適的方式來對記憶體進行管理，負面影響也會非常明顯，將會造成記憶體頁頻繁的壓縮/解壓縮，從而搶占正常業務的 CPU 時間，增加系統的功耗。並且，如果壓縮/解壓速度不夠快的話，會直接影響用戶的使用體驗。

1.3 記憶體管理機制

除了記憶體方案不足，傳統的記憶體分配及管理方式，無法感知業務特性及數據的重要性。如果終端設備多個進程或業務共用一塊記憶體，當記憶體負載越來越重，進行記憶體數據回收時，會頻繁出現數據搬移，以及記憶體震蕩的現象。這些現象會加重內核管理記憶體的開銷，並導致系統 CPU 負載長期處於高負載的狀態，從而增加系統功耗。

2. OpenHarmony記憶體解決方案

針對原有記憶體方案的不足，OpenHarmony 構建了一套完善的記憶體解決方案 ESWAP，打通了上層系統到內核的調用棧，讓內核能在上層配置的指導下，對每一塊記憶體數據進行合理的管理。

下麵我們將為大家介紹 ESWAP 解決方案以及其關鍵技術的解析。

2.1 ESWAP方案介紹

ESWAP（Enhanced SWAP）是 OpenHarmony 針對記憶體優化問題提供的一套完善的記憶體解決方案，結合記憶體壓縮和記憶體交換技術，定製了一套合理高效的調度管理策略，使壓縮和交換兩者的工作能夠高效且平衡。ESWAP 基於關聯性的數據聚合技術及上層指導策略，將記憶體劃分為不同的分組進行管理，通過回收優先順序來區分不同分組下記憶體的活躍程度，優先壓縮、換出較不活躍的記憶體數據，以提升數據交換性能，減少壽命衝擊。

ESWAP 解決方案的整體框架如圖3所示：

圖3 ESWAP解決方案

ESWAP 解決方案在全局資源調度子系統中增加了一個系統資源調度模塊，通過向賬戶子系統訂閱本地賬戶的變化來感知當前的賬戶狀態和記憶體狀態，然後根據賬戶狀態給各個賬戶設置不同的回收優先順序、設置目標可用記憶體量、設置壓縮和換出的比例等參數，並將這些參數下發給 ZSWAPD。ZSWAPD 會依據回收優先順序判斷回收的先後順序；依據目標可用記憶體量和當前可用記憶體量的差值決定回收的量；依據壓縮和換出的比例來決定壓縮和換出的量，從而實現在達成記憶體擴展效果前提下的性能和功耗平衡。

2.2 關鍵技術解析

ESWAP 記憶體解決方案都用到了哪些關鍵技術呢？下麵為你一一道來。

2.2.1 定製的ZRAM和交換分區

ESWAP 結合記憶體壓縮和記憶體交換技術，提供了自定義新增存儲分區作為記憶體交換分區的能力，併在內核中創建了一個常駐進程 ZSWAPD，用於將 ZRAM 壓縮後的匿名頁加密換出到 ESWAP 存儲分區中，從而能完全地空出一塊可用記憶體，以此來達到維持 Memavailable 水線的目標，如圖 4 所示。

圖4 ESWAP技術

同時，ESWAP 模塊還可以記錄每個匿名頁的冷熱特征信息，並將這些數據通過關聯性、冷熱順序進行相應的存放，使 ESWAP 交換區中連續存放的匿名頁具有時間和空間局部性。因此在匿名頁換入時，可以將交換區中的相鄰匿名頁一併讀入 ZRAM，以此來保證數據的存取速度，提升 IO 性能。

2.2.2 動態的記憶體回收機制

OpenHarmony 提供了一種額外的記憶體回收機制 ZSWAPD，並創建了“buffer”來作為衡量當前系統記憶體能力的指標。buffer 指的是當前系統能提供的最大可用記憶體。ZSWAPD 會根據 buffer 量以及上文所述的各種策略，來對匿名頁進行壓縮換出以回收。同時，ZSWAPD 還能根據記憶體冷熱分離的合理性以及記憶體回收狀態, 動態地控制 ZRAM 和 ESWAP 之間的平衡，從而獲得更高的能效比。

2.2.3 靈活的記憶體回收策略

OpenHarmony 基於 Memcg 分組進行了回收策略的增強，使用回收優先順序來指導 ZSWAPD 回收的先後順序。回收策略將既定的 buffer 相關配置下發給 ZSWAPD，來指導其回收適當數量的記憶體。此外，由於匿名頁可能存儲在 RAM、ZRAM、ESWAP 三個模塊中, 上層可以根據需要，通過靈活地配置交換策略，控制這三個模塊中存儲的比例，避免頻繁換入換出帶來的負面影響。

至此，ESWAP 的三項關鍵技術就介紹完了，我們來總結一下：

● 定製的 ZRAM 和交換分區：將數據通過關聯性、冷熱順序進行存放，保證了數據的存取速度，提升了 IO 性能。

● 動態的記憶體回收機制：從回收優先順序、可用記憶體量、壓縮和交換比例三個維度動態地控制數據回收，從而獲得更高的能效比。

● 靈活的記憶體回收策略：靈活地控制 RAM、ZRAM、ESWAP 三個模塊數據存儲的比例，保證了各個模塊的平衡。

2.3 ESWAP相關介面

ESWAP 解決方案支持系統開發者定製自己的回收策略，併在 /dev/memcg 下提供了僅對上層回收策略可見的介面。系統開發者可以通過這些介面來定製自己的上層策略，具體介面如下所示：