VMware内存分配初探

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VMware内存分配初探

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【写在前面的说明】
为方便识别虚拟的资源和物理(或叫真实的)资源，本人文章中以小写字母v前缀标识虚拟资源，小写字母p前缀标识物理资源。例如：
vCPU = 虚拟CPU
pCPU = 物理CPU
vRAM = 虚拟机的内存，也称之为Guest OS配置内存(Configured Size)，或者说GOS的物理内存
pRAM = 物理内存，也称机器内存(Machine Memory)，或主机物理内存(Host Physical Memory)

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VM的内存资源分配，有3个可以配置的项：Limit，Reservation和Shares

【Memory Limit】
Memory Limit，顾名思义，内存上限，就是Host可以分配给此VM的pRAM数的上限。
默认情况下是选中unlimited复选框的，也就是不设上限。不设上限不意味着没有上限，隐含的上限值是分配给VM的内存值。

Q: 什么情况下要设置Memory Limit呢？（或者说Memory Limt有什么好处？）
A: 一般情况下不用设置Memory Limt。

Limit通常用来管理用户预期。开始的时候，Host上的VM数量比较少，没有资源争用，因此VM的性能完全可以保证；随后，当一台又一台VM创建出来，对于资源的争用渐渐变的频繁起来。于是VM的性能下降了，用户便会产生抱怨。因此，设置limit可以从一开始就限定VM的性能，也就是让用户一开始就觉得他的VM就应该是这样的性能，当VM数量增加的时候，也不会感觉到性能的下降。当然，Memory Limit设置在什么数值比较合理应该具体情况具体分析。

那为啥不把VM的内存(Configured Size)设小呢？这也是考虑用户心理。有用户会觉得自己的应用就是需要4GB内存，虽然我们经过分析得出的结论是只需要1GB内存就够了，但是为了考虑用户的感受，就给他设置VM的内存为4GB，于是用户看见自己的OS显示有4GB内存，就很满意，但是他不知道的是我们给他的VM设置了1GB 的Memory Limt，这样，既保证了Host的资源可以更合理的利用，又让用户感到满意。

当用户的应用越来越频繁，其对内存的需求增加的时候，这时再来调整Memory limt，以满足其对性能的要求。调整Memory Limt无需停机，而如果开始时虚拟机的内存设的小了，此时调整内存数量就要停机了。设置Memory limt的好处就在于减少了不必要的downtime。

调整memory limit的动作，其实就是通知Hypervisor将某一VM可用的pRAM放大，而无需通知GOS，所以无需GOS重启。（简单的说，就是改Hypervisor，而和GOS无关）

专用名词解释 Configured Size Configured Size可以翻译成配置内存，就是用户在创建一个VM的时候设定的内存值，也是Guest OS认为自己拥有的内存值。Configured Size在VM看来就是自己可用内存的总量，有的时候我们也称之为Guest Physical Memory。

【Memory Reservation】

Memory Reservation就是给一台VM保留的内存。这些pRAM将被占用，只能用于此VM，而不会被重新分配。VM默认的Memory Reservation是0，也就是不保留内存。如果给1台VM配置了1GB内存，但是Memory Reservation是默认的0MB，也就是说没有给这台VM分配任何专属的pRAM，那么这台VM的内存从哪里获得呢？答案是Swap(可以翻译为交换文件)，也叫VMKernel swap，这是一个存放在硬盘资源上的交换文件(扩展名为vswp)，这个swap文件大小在默认情况下等同于VM设定内存的大小。

所以，即使1台VM没有获得任何pRAM，它还是可以运行的，因为从VM Guest OS看来，自己还是有RAM的，这个RAM就是硬盘上的swap文件。

但是，我们知道，硬盘的访问是一种机械运动(注：非SSD硬盘情况下)，速度要远远比物理内存慢。慢到什么程度呢？RAM速度大概是纳秒级的，而硬盘的速度是毫秒级的，2者相差近100万倍。所以使用swap越多，速度就越慢。对Windows Paging技术熟悉的同学们一定知道，缺少内存的电脑速度非常之慢，主要就是因为经常访问存放在硬盘上的pagefile，这种问题的解决方案就一定是添加物理内存。对于VM也是如此，如果大量使用swap，VM一定会显得非常之慢。

那么当ESX/ESXi还有可用内存的情况下，VM是不是还一定要用swap当内存呢？

答案是不用。Memory Reservation为0的VM没有专属的pRAM，但并不意味着这台VM没有物理内存可以用，只是没有独占某些物理内存而已，在共享物理内存池中的内存还是可以使用的。VMware ESX/ESXi在物理内存资源充足的情况下，总是会给VM分配足额的pRAM，因此VM无需使用Swap，这保证了VM的运行速度。比如1台可用物理内存是3GB(忽略COS和Hypervisor所占用的内存开销)的ESX/ESXi主机上，运行了2台VM，每台VM各配置了1GB的内存，此时，共享内存池中有3GB的内存，而实际需求只有2GB，因此2台VM都能获得1GB的pRAM。

当你给这2台VM各自的Memory Reservation都设置成512MB的时候，这2台VM将各自获得512MB的专属内存，也就是说，无论这2台VM是否实际用到了这512MB内存，这些内存都将保留给它们。此时，共享内存池中可用的内存就只有2GB了。

当获得了512MB专属内存之后，VM就不需要1GB那么大的swap了，而只需要512MB的swap就足够保证Guest OS不会没有内存可用。所以此时的swap大小就只有512MB。如果继续增大Memory Reservation到1GB，此时swap就为0。

所以VM内存1GB可能有：

0MB的Memroy Reservation和1024MB的swap，或者
512MB的Memory Reservation和512MB的swap，或者
1024MB的Memory Reservation和0MB的swap

因此我们总结出以下公式：

VM的配置内存 (MB) = Swap文件大小 (MB) + Memory Reservation (MB)

(注：原文可参<vSphere resource mgmt guide> p31："You must reserve swap space for any unreserved virtual machine memory (the difference between the reservation and the configured memory size) on per-virtual machine swap files.")

Q: 为什么要配置Memory Reservation？
A: 因为硬盘内存的速度太慢，而保留一些物理内存给VM可以保证该VM能至少拥有一部分高速的pRAM资源。

Q: 那么，是不是要给一台VM配置等于其内存大小的Memory Reservation呢？
A: No，这是为什么呢？

这是因为Memory Reservation设的越大，可共享的内存池中的内存也就越少，可配置的VM数量就越少。

还是拿上面的例子来说，如果每台VM的Memory Reservation都是512MB的情况下，3GB的ESX/ESXi的主机最多只能配置6台VM(这是不考虑memory overhead的假想情况下，实践情况可能不到6台)，如果Memory Reservation继续增加到每台VM 1GB，那就最多只能配置3台VM了。但是每台VM实际在用内存数可能都没那么多，假设每台VM在用内存的平均数只有256MB，这台主机应该可以运行12台VM，在做了Memory Reservation之后，就只能开启3台或者6台的VM了。

Q：Memory Reservation的那部分内存是不是其他VM就无法使用？
A：不是绝对不能用。但是因为Memory Reservation部分的内存不能被reclaim，所以当1台VM开机的时候，如果当时使用的内存不到Memory reservation的大小，那多余的部分还是可以被其他VM用的；但是当此VM占用的内存达到过Memory Reservation的大小以后，这部分内存就不会交还到可以共享的内存pool中了，就不能再被其他VM用了。

【关于Swap的Q&A】
Q: Swap何时产生？何时消亡？
A: swap文件在一台VM开机的时候生成，关机的时候被删除。

Q: VM开机时，存放位置没有足够的空间来放置Swap，会发生什么？
A: VM无法开机。

Q: Swap的大小？
A: Swap = VM Configured Memory Size - Memory Reservation
swap的大小是固定的，是静态的，是预先分配好空间的，既不会变大也不会缩小。即使VM从来不去用它，也牢牢霸占着磁盘空间。大多数情况下，swap的利用率很低。（swap利用率高了就意味着VM缺少pRAM，就要想办法调整内存设置，或者增加Host的物理内存，或者调整配置以满足VM需求）

Q: Swap的默认位置？
A: 和VM的文件 e.g. VMX, VMDK等在同一目录下

Q: Swap的位置可以改变么？为什么？
A: 可以改，但不建议改。
Swap的存放位置可以改到共享存储的另外的位置，或者Host本地存储的某个位置(Host-local方式)。但是Host-local有个缺点，就是会影响到VMotion的效率，因为在Host本地存储的Swap文件必须在VMotion的时候迁移到另外的主机上；而swap如果是在共享存储上的话，就不需要移动。

Q: Host-local Swap如何设置？如果修改默认swap位置到Host-local？
A: 见vSphere Resouce Management Guide p31

关于host-local swap的更多精妙解释，强烈推荐您读以下Frank的这篇文章： http://frankdenneman.nl/2010/02/impact-of-host-local-vm-swap-on-ha-and-drs/

【Memory Shares】
Memory shares简单的说就是份额。当内存资源不足时，VM之间就会产生内存资源的争用。Share就是用来设定VM在争用时能够获得多少份额的内存。

还是拿前面的例子举例。3GB pRAM的ESX/ESXi主机上配置了2台VM，没有配置Reservation，当它们都只有1GB内存的时候，这1GB都可以使用pRAM，现在让我们把这2台VM的内存增加到2GB。现在内存需求的总量是4GB了，VMware将如何分配内存？

首先要明确的是，内存资源只有在争用的情况下才会用到share。上面2台VM虽然都分配了2GB vRAM，但是如果其应用还是都只用到1GB的话，此时没有争用发生，share也就没有发生作用。

当这2台VM都请求2GB内存的时候，就发生了争用。假设他们的share都是1000，那么也就是说，我们把可用内存3GB分成2000份，每台VM可以分到1000份。因此此时每台VM可以获得3GB*1000/2000=1.5GB的内存。

假设VM1用于开发，VM2用于生产，所以我们想把VM2的优先级别设高，便调整VM2的share为2000。此时VM1将获得3GB*1000/(1000+2000)=1GB内存。而VM2将获得3GB*2000/(1000+2000)=2GB的物理内存。

当我们调整VM1的share为500，VM2的share为2000. 此时，根据计算，VM2争用获得的内存是3GB*2000/(500+2000)=2.4GB，而VM1将获得3GB*500/(500+2000)=0.6GB。对吗？且慢，还记得内存limit隐含的上限是VM的配置内存吗？VM2只配置了2GB内存，因此最多只用到2GB内存。所以VM2还是只用2GB内存，剩下的1GB内存VM1可以占用。

关于VMware Memory分配机制的进一步探讨，敬请期待续篇。