KVM内存管理揭秘：QEMU与CPU如何联手打造虚拟化性能奇迹？

调试KVM虚拟机期间，发现一个挺有意思的现象：往该虚拟机分配8GB内存接着开启它，主机之上的确会出现与之对应的QEMU进程，然而实际物理内存占用量却远远低于这个数值。现代虚拟化技术带来资源优化这么个近乎神奇的效果，就在这种内存管理的方式背后。

内存分配机制

在KVM环境里，当用户配置8GB虚拟机内存时，QEMU进程会借助mmap系统调用，于主机虚拟地址空间预留对应容量的内存，此过程并非马上占用物理内存，而是去构建虚拟地址映射关系，实际物理内存的分配会延迟，一直到客户机真正去访问内存页面的时候才会出现。

能够明显提高主机内存利用率的是这种按需分配机制，比如说在同时运行多个虚拟机的情况下，配置的它们内存总和能够超过主机物理内存容量，只要各虚拟机实际使用内存量相加之和没有超过物理内存上限，系统就能够维持稳定运行 。

硬件辅助转换

早期的时候，虚拟化技术运用软件模拟的方式去处理内存访问，每次客户机进行内存操作时，都得陷入到宿主机里去实现地址转换。英特尔VT-x技术以及AMD-V技术引入了扩展页表，也就是EPT，再者还引入了嵌套页表，即NPT，借助于在硬件层面达成两级地址转换，从而把虚拟化开销降低到近乎为零 。

当下，CPU能够凭借自身自动达成客户机虚拟地址朝着主机物理地址的转变了呀。唯有访问环节涉及到的地址在EPT / NPT里头欠缺之时，才会触动VM -Exit进而交付给KVM予以处理呢。实际经由测试能够表明，这般借助硬件辅助的转换相较于传统的软件方式 ，其性能提升幅度超过了80%哟。

内存共享技术

，KSM属于KVM独有的内存优化功效性能，它会定时定期扫描扫描清查所有虚拟机的内存页面网页页面，于察觉识别发掘出内容相同的页面网页页面时，KSM 就会合并合并一同吞并这些重复相仿一样的页面网页页面，仅仅只是单单只保留留存单个副本拷贝，并且并将所有映射指向趋向该副本拷贝，被合并合并一同吞并的页面网页页面会被标记标明标记成为写时复制。

于运行多个相同操作系统之场景里，KSM可节省百分之三十至百分之五十的内存占用，举例来说，二十台CentOS虚拟机原本需一百六十GB内存，启用KSM后实际物理内存使用或许会降至一百GB左右。

内存气球技术

供客户机内核所安装的特殊模块就是内存气球驱动，它让宿主机能够对虚拟机内存分配予以动态调整，在主机内存呈现较大压力的状况之下，可以借助virtio-balloon驱动作出指令通知，使客户机能进行被释放部分内存这一操作。

在客户机收到请求之后，它会把自身的缓存或者空闲内存借助气球驱动交还给宿主机，此过程对于客户机应用而言是完全透明的，并且其调整粒度能够达到4KB页面级别，经过实测表明该技术能够助力主机在内存存在压力的情况下保持稳定运行。

大页内存优化

KVM存在透明大页与静态大页这两种大内存页设置方式，透明大页是由内核自行运作管理模式，把接连不断的小页面整合成为2MB或者1GB的大页面，而静态大页则是要事先去配置大页池 。

使用大页可显著降低TLB缺失率，进而提升内存访问密集型应用的性能，在数据库服务器等场景里，启用大页后性能提升幅度能够达到15%至20%，然而要留意大页有可能致使内存碎片化问题。

NUMA架构适配

在具备多个插槽的服务器里头，KVM能够借助虚拟NUMA技术，使得客户机察觉到非统一内存的获取架设体系，管理的人员得以针对vCPU还有内存的分配去指定NUMA节点，以此保障虚拟当中的处理器在主要方面去访问本地节点的内存。

实施正确的NUMA策略配置，可规避因远程内存访问致使的性能损耗麻烦。于双路服务器测试期间呀，经过优化NUMA配置设定的虚拟机，其性能相较于未做配置的情形，要高出30%以上呢。Windows客户机以及Linux客户机，均对NUMA感知功能予以支持哟。

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