[VMware KA] 理解 VMware 内存资源管理

在虚拟化应用中，内存是最为宝贵的资源。同CPU和存储资源管理相比，虚拟化的内存资源管理更为复杂。

一、内存回收：

VMware ESX hypervisor(管理程序)能够截获虚拟机第一次访问某内存，将物理内存填零后分配给虚拟机，但是hypervisor无法得知虚拟机中哪些内存是空闲的。hypervisor不断的将内存分配给虚拟机，当在内存超配(memory overcommitment)的情况下主机物理内存将可能耗尽，因此hypervisor需要从虚拟机中回收(reclaim)内存，ESX hypervisor使用以下机制回收内存：

1. 透明页共享(Transparent Page Sharing)：当多个虚拟机在一个主机上运行时，可能有些内存页是一样的，比如一样的Guest OS。hypervisor通过周期性的扫描内存页生成hash值在内存hash总表中查找，一旦hash匹配就会进行完整比较，确认内存页完全一样后hypervisor会删除冗余内存页以指针代之，类似于存储中的重复数据删除功能。当某虚拟机对共享内存页试图写时，hypervisor会复制一个这个虚拟机的专有页来修改，保证共享页不被破坏。这种内存回收的速度取决于扫描的速度，在ESX(i)的高级设置中可以设置扫描速度和时间间隔。所以最好将相同或者相近的OS部署在一台host上面，以便更好的使用TPS节省内存。

   
   

2. 气球膨胀(Ballooning)：由于hypervisor无法得知虚拟机中哪些内存是空闲的，因此依靠VMware Tools在Guest OS中的气球驱动(balloon driver)来回收内存。当需要从该虚拟机回收内存时，气球膨胀从Guest OS中请求内存，分配给气球驱动的内存可被hypervisor安全的回收，Guest OS自行决定将哪些内存swapping交换到硬盘上以保证分配给气球驱动内存。显然需要安装VMware Tools才能实现气球回收内存，通过这种方式回收内存较慢，依赖于Guest OS内存分配的速度。

   
   

3. 内存交换(Hypervisor Swapping)：当虚拟机启动时就会创建一个内存swap文件，文件大小为最大内存交换量（虚拟机配置内存-内存预留）。当上面两种回收方式不能满足需求时，hypervisor会进行swapping将虚拟机的物理内存交换到硬盘上。hypervisor并不知道将哪些内存交换好，Guest OS也不知道哪些内存被交换了，这将极大的影响虚拟机的性能，当出现这种情况时说明需要加内存了。

   
   

4. 内存压缩(Memory Compression)：这是4.1的新功能，对内存的交换的优化。如果swapping的内存页是可压缩的，则将其压缩后存储在压缩缓存区中，这样再次访问这个被swapping的内存时仅需要解压缩，而不是从硬盘读取，这将快的多。不能压缩或压缩缓冲区满则会与硬盘进行真正的swapping。在ESX(i)的高级设置中可以设置压缩缓存的大小等。

• 当主机可用内存高于等于6%时，hypervisor仅使用透明页共享回收内存（当没有设置虚拟机内存限制时）。如果虚拟机设定了内存限制，则hypervisor使用ballooning甚至swapping回收内存直到低于限定值。

• 当主机可用内存接近4%时，hypervisor使用ballooning回收内存，一般情况下可以及时的回收内存，让可用内存保持在4%以上。

• 如果ballooning不足以回收内存，主机可用内存接近2%时，hypervisor在ballooning回收内存的基础上增加使用swapping(并激活内存压缩)加速内存回收，让可用内存保持在4%以上。

• 罕见的当主机可用内存只有1%时，hypervisor除了继续使用ballooning和swapping回收内存，还禁止所有虚拟机申请更多内存。

二、虚拟机内存分配

VMware ESX(i)提供了三个参数来控制虚拟机的内存分配（虚拟机设置-资源-内存）

1. “限制(Limit)”限定了分配给虚拟机物理内存的上限，如果虚拟机使用的内存超过该限定值则hypervisor强制回收内存，默认是无限制，即已虚拟机内存大小为限。虚拟机硬件设置中的内存对于大多数Guest OS是不能热添加的，有的能热添加但是要使用添加的内存还要重启Guest OS，只有少数Guest OS能热添加并使用的，因为这个需要Guest  OS识别，因此对Guest OS要求高。但是内存限制可以在虚拟机运行时随意的调整，Guest OS无需感知是透明的。

   
   

2. “预留(Reservation)”是保证分配给虚拟机最低物理内存的下限，即hypervisor至多从虚拟机回收内存到预留值为止，不再继续回收，保证一个基本的内存可避免性能降低到无法忍受。

   
   

3. “份额(Shares)”是当主机内存过量使用时，虚拟机可获得的物理内存是通过一个公式计算得到的，份额是其中一项。默认份额=虚拟机内存*10。

• 公式：ρ=份额/(活动内存+k*空闲内存)，ρ就是该虚拟机可获得物理内存比例的分子，分母是所有虚拟的ρ的和。
  k是惩罚因子，k=1/(1-IMT)，IMT为空闲内存税(Idle Memory Tax)，默认IMT=75%，即k=4，IMT值可以在ESX(i)的高级设置中修改。
  显然份额越大，活动内存比例越高则ρ越大，可获得的物理内存越多。hypervisor从ρ最小的虚拟机开始回收内存。

参考文献：
Understanding Memory Resource Management in VMware ESX 4.1
空闲内存税的算法