OpenAtom OpenHarmony（以下簡稱“OpenHarmony”）是面向全場景泛終端設(shè)備的操作系統(tǒng)，終端設(shè)備內(nèi)存性能的強弱會直接影響用戶的體驗。終端設(shè)備的內(nèi)存差異很大，對于內(nèi)存比較小的終端設(shè)備，內(nèi)存優(yōu)化方案無疑是增強內(nèi)存性能、提升用戶體驗的關(guān)鍵。針對傳統(tǒng)內(nèi)存方案及管理機制的不足，OpenHarmony 構(gòu)建了一套完善的內(nèi)存解決方案——ESWAP。

1.傳統(tǒng)內(nèi)存方案及管理機制

在傳統(tǒng)的 Linux 內(nèi)存優(yōu)化方案中，終端設(shè)備通常采用 SWAP 及 ZRAM 內(nèi)存方案。

1.1 SWAP

SWAP 即內(nèi)存交換技術(shù)或虛擬內(nèi)存技術(shù)，如圖 1 所示，在系統(tǒng)的物理內(nèi)存不足時，把內(nèi)存中的一部分不常用的內(nèi)存空間釋放出來，以增大系統(tǒng)可用內(nèi)存供當前運行的程序使用。這些被釋放的數(shù)據(jù)被臨時保存到 SWAP 分區(qū)中，等到需要使用時，再從 SWAP 分區(qū)中恢復(fù)到內(nèi)存中。

圖1 SWAP虛擬內(nèi)存技術(shù)

從圖 1 中不難看出，SWAP 內(nèi)存交換技術(shù)增大了設(shè)備內(nèi)用內(nèi)存，但是，SWAP 內(nèi)存換入/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，并且 flash 存儲器件的頻繁讀寫也會縮減其壽命。

1.2 ZRAM

ZRAM 即內(nèi)存壓縮技術(shù)，如圖 2 所示，在系統(tǒng)的物理內(nèi)存不足時，將系統(tǒng)物理內(nèi)存的一部分劃分出來作為 ZRAM 分區(qū)，然后把不常用的匿名頁壓縮后放到 ZRAM 分區(qū)里，相當于犧牲了一些 CPU 效率，以增大系統(tǒng)可用內(nèi)存供當前運行的程序使用。等到需要使用時，再從 ZRAM 分區(qū)中將數(shù)據(jù)解壓出來。

圖2 ZRAM內(nèi)存壓縮技術(shù)

雖然 ZRAM 在一定程度上增大了設(shè)備內(nèi)用內(nèi)存，但是如果沒有合適的方式來對內(nèi)存進行管理，負面影響也會非常明顯，將會造成內(nèi)存頁頻繁的壓縮/解壓縮，從而搶占正常業(yè)務(wù)的 CPU 時間，增加系統(tǒng)的功耗。并且，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 內(nèi)存管理機制

除了內(nèi)存方案不足，傳統(tǒng)的內(nèi)存分配及管理方式，無法感知業(yè)務(wù)特性及數(shù)據(jù)的重要性。如果終端設(shè)備多個進程或業(yè)務(wù)共用一塊內(nèi)存，當內(nèi)存負載越來越重，進行內(nèi)存數(shù)據(jù)回收時，會頻繁出現(xiàn)數(shù)據(jù)搬移，以及內(nèi)存震蕩的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會加重內(nèi)核管理內(nèi)存的開銷，并導(dǎo)致系統(tǒng) CPU 負載長期處于高負載的狀態(tài)，從而增加系統(tǒng)功耗。

2.OpenHarmony內(nèi)存解決方案

針對原有內(nèi)存方案的不足，OpenHarmony 構(gòu)建了一套完善的內(nèi)存解決方案 ESWAP，打通了上層系統(tǒng)到內(nèi)核的調(diào)用棧，讓內(nèi)核能在上層配置的指導(dǎo)下，對每一塊內(nèi)存數(shù)據(jù)進行合理的管理。

下面我們將為大家介紹 ESWAP 解決方案以及其關(guān)鍵技術(shù)的解析。

2.1 ESWAP方案介紹

ESWAP（Enhanced SWAP）是 OpenHarmony 針對內(nèi)存優(yōu)化問題提供的一套完善的內(nèi)存解決方案，結(jié)合內(nèi)存壓縮和內(nèi)存交換技術(shù)，定制了一套合理高效的調(diào)度管理策略，使壓縮和交換兩者的工作能夠高效且平衡。ESWAP 基于關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)聚合技術(shù)及上層指導(dǎo)策略，將內(nèi)存劃分為不同的分組進行管理，通過回收優(yōu)先級來區(qū)分不同分組下內(nèi)存的活躍程度，優(yōu)先壓縮、換出較不活躍的內(nèi)存數(shù)據(jù)，以提升數(shù)據(jù)交換性能，減少壽命沖擊。

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(diào)度子系統(tǒng)中增加了一個系統(tǒng)資源調(diào)度模塊，通過向賬戶子系統(tǒng)訂閱本地賬戶的變化來感知當前的賬戶狀態(tài)和內(nèi)存狀態(tài)，然后根據(jù)賬戶狀態(tài)給各個賬戶設(shè)置不同的回收優(yōu)先級、設(shè)置目標可用內(nèi)存量、設(shè)置壓縮和換出的比例等參數(shù)，并將這些參數(shù)下發(fā)給 ZSWAPD。ZSWAPD 會依據(jù)回收優(yōu)先級判斷回收的先后順序；依據(jù)目標可用內(nèi)存量和當前可用內(nèi)存量的差值決定回收的量；依據(jù)壓縮和換出的比例來決定壓縮和換出的量，從而實現(xiàn)在達成內(nèi)存擴展效果前提下的性能和功耗平衡。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)解析

ESWAP 內(nèi)存解決方案都用到了哪些關(guān)鍵技術(shù)呢？下面為你一一道來。

2.2.1 定制的ZRAM和交換分區(qū)

ESWAP 結(jié)合內(nèi)存壓縮和內(nèi)存交換技術(shù)，提供了自定義新增存儲分區(qū)作為內(nèi)存交換分區(qū)的能力，并在內(nèi)核中創(chuàng)建了一個常駐進程 ZSWAPD，用于將 ZRAM 壓縮后的匿名頁加密換出到 ESWAP 存儲分區(qū)中，從而能完全地空出一塊可用內(nèi)存，以此來達到維持 Memavailable 水線的目標，如圖 4 所示。

圖4 ESWAP技術(shù)

同時，ESWAP 模塊還可以記錄每個匿名頁的冷熱特征信息，并將這些數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)性、冷熱順序進行相應(yīng)的存放，使 ESWAP 交換區(qū)中連續(xù)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(qū)中的相鄰匿名頁一并讀入 ZRAM，以此來保證數(shù)據(jù)的存取速度，提升 IO 性能。

2.2.2 動態(tài)的內(nèi)存回收機制

OpenHarmony 提供了一種額外的內(nèi)存回收機制 ZSWAPD，并創(chuàng)建了“buffer”來作為衡量當前系統(tǒng)內(nèi)存能力的指標。buffer 指的是當前系統(tǒng)能提供的最大可用內(nèi)存。ZSWAPD 會根據(jù) 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(jù)內(nèi)存冷熱分離的合理性以及內(nèi)存回收狀態(tài), 動態(tài)地控制 ZRAM 和 ESWAP 之間的平衡，從而獲得更高的能效比。

2.2.3 靈活的內(nèi)存回收策略

OpenHarmony 基于 Memcg 分組進行了回收策略的增強，使用回收優(yōu)先級來指導(dǎo) ZSWAPD 回收的先后順序。回收策略將既定的 buffer 相關(guān)配置下發(fā)給 ZSWAPD，來指導(dǎo)其回收適當數(shù)量的內(nèi)存。此外，由于匿名頁可能存儲在 RAM、ZRAM、ESWAP 三個模塊中, 上層可以根據(jù)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(guān)鍵技術(shù)就介紹完了，我們來總結(jié)一下：

●定制的 ZRAM 和交換分區(qū)：將數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)性、冷熱順序進行存放，保證了數(shù)據(jù)的存取速度，提升了 IO 性能。

●動態(tài)的內(nèi)存回收機制：從回收優(yōu)先級、可用內(nèi)存量、壓縮和交換比例三個維度動態(tài)地控制數(shù)據(jù)回收，從而獲得更高的能效比。

●靈活的內(nèi)存回收策略：靈活地控制 RAM、ZRAM、ESWAP 三個模塊數(shù)據(jù)存儲的比例，保證了各個模塊的平衡。

2.3 ESWAP相關(guān)接口

ESWAP 解決方案支持系統(tǒng)開發(fā)者定制自己的回收策略，并在 /dev/memcg 下提供了僅對上層回收策略可見的接口。系統(tǒng)開發(fā)者可以通過這些接口來定制自己的上層策略，具體接口如下所示：

以上就是本文全部內(nèi)容，ESWAP 解決方案仍在不斷建設(shè)中，期待廣大開發(fā)者加入我們，共同見證全場景智能時代的無限可能！感興趣的小伙伴可以通過下面鏈接獲取ESWAP源碼進行深入了解：

審核編輯 ：李倩