云计算平台中多虚拟机内存协同优化策略研究

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1、书书书第 卷第 期 年 月计 算 机 学 报 收 稿 日 期： ；最 终 修 改 稿 收 到 日 期： 本 课 题 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金（ ） 、国 家“九 七 三”重 点 基 础 研 究 发 展 规划 项 目 基 金（ ）和 国 家“八 六 三”高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目 基 金（ ， ）资 助张 伟 哲，男， 年生，博 士，副 教 授、研 究 方 向 为 网 络 计 算、并 行 与 分 布 式 系 统 ： 张 宏 莉，女， 年 生，博 士，教 授，研 究 领 域为 网 络 安 全、网 络 计 算张迪，男， 年 生，本 科 生，研 究 方 向 为 网 络 计

2、 算、并 行 与 分 布 式 系 统程涛，男， 年 生，硕 士 研 究 生，研究 方 向 为 网 络 计 算、并 行 与 分 布 式 系 统云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究张 伟 哲张 宏 莉张迪程涛（哈 尔 滨 工 业 大 学 计 算 机 科 学 与 技 术 学 院哈 尔 滨 ）摘要虚 拟 化 技 术 为 云 计 算 基 础 设 施 资 源 的 动 态 部 署、安 全 隔 离 提 供 了 重 要 保 证从 过 度 占 用 内 存 的 虚 拟 机 中回 收 内 存，提 供 给 内 存 紧 缺 的 虚 拟 机 使 用，优 化 多 虚 拟 机 间 的

3、内 存 分 布 是 内 存 虚 拟 化 中 的 挑 战 性 问 题文 中 引 入 了自 发 调 节 和 全 局 调 节 协 作 的 多 虚 拟 机 内 存 管 理 架 构通 过 定 义 内 存 资 源 充 裕 状 态 和 内 存 资 源 紧 缺 状 态，提 出 了 自发 调 节 和 全 局 调 节 之 间 协 作 的 算 法处 于 内 存 资 源 充 裕 状 态 时，各 虚 拟 机 可 采 用 自 发 调 节 策 略 平 衡 内 存 资 源处 于内 存 资 源 紧 缺 状 态 时，基 于 空 闲 内 存 价 格 的 全 局 调 节 策 略 平 衡 内 存 资 源实 验 结 果 表 明，针 对

4、计 算 密 集 型 与 存 储 密集 型 负 载，该 框 架 与 算 法 均 能 很 好 地 提 高 服 务 能 力，同 时 具 有 较 高 的 可 扩 展 性 与 较 低 的 性 能 惩 罚关 键 词云 计 算；虚 拟 化；内 存 协 同 优 化；自 发 调 节 算 法；全 局 调 节 算 法中 图 法 分 类 号 犇 犗 犐号： 犕 犲 犿 狅 狉 狔 犆 狅 狅 狆 犲 狉 犪 狋犻狅 狀 犗 狆 狋犻 犿 犻狕 犪 狋犻狅 狀 犛 狋狉 犪 狋犲 犵犻犲 狊 狅 犳 犕 狌 犾狋犻 狆 犾犲 犞 犻狉狋 狌 犪犾 犕 犪 犮 犺 犻 狀 犲 狊 犻 狀犆 犾狅 狌 犱 犆 狅 犿 狆

5、狌 狋犻 狀 犵 犈 狀 狏犻狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 （犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳 犆 狅 犿 狆 狌 狋犲 狉 犛 犮犻犲 狀 犮 犲 犪 狀 犱 犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉犻 狀 犵，犎 犪 狉 犫犻 狀 犐 狀 狊狋犻狋 狌 狋犲 狅 犳 犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犎 犪 狉 犫犻 狀 ）犃 犫 狊狋狉 犪 犮狋 （ ） ， ， ， ， ， ， 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 ； ； ； ； 引言云 计 算 作 为 一 种 创 新 的 计 算 模 式，近 年 来 日 益受 到 学 术 界 和 业 界 的 重 视有 别 于 以 个 人 计 算 机 为中 心 的 传

6、 统 计 算 模 式，云 计 算 通 常 以 互 联 网 为 中 心构 建 多 个 大 规 模 数 据 中 心，为 用 户 提 供 资 源 按 需 租用 的 服 务 模 式根 据 服 务 层 次 不 同，当 前 云 计 算 服务 模 式 可 以 分 为 以 下种： （）基 础 设 施 即 服 务（ ）外 包 用 于 支 持 操 作 的 设 备，用 户 按 照 自 己的 意 志 运 行 操 作 系 统 和 应 用 软 件 等 程 序； （）平 台即 服 务（ ）通 过 网 络 提 供 操 作 系 统 和 相 关 服务，用 户 采 用 提 供 商 支 持 的 编 程 语 言 与 工 具 编 写 服

7、务； （）软 件 即 服 务（ ）应 用 程 序 由 供 应 商 或 服务 供 应 商 托 管，用 户 通 过 各 种 客 户 端 设 备 的 瘦 客 户界 面 使 用 这 些 服 务基 础 设 施 服 务（ ）的 核 心 是 系 统 虚 拟 化 技术将 某 一 个 或 多 个 数 据 中 心 的 计 算 与 存 储 资 源 虚拟 化，形 成 一 个 高 效 灵 活 的 资 源 池，可 以 帮 助 降 低 基础 设 施 的 成 本、延 缓 数 据 中 心 扩 建 的 时 间，提 升 应 对快 速 变 化 的 业 务 需 求 能 力虚 拟 化 技 术 包 括 对 内存、 和设 备 等 资 源 的

8、 虚 拟 化高 效 的 和设 备 分 时 复 用 已 经 得 到 广 泛 的 研 究，但 分 时共 享 内 存 较 难 实 现因 此，多 虚 拟 机 物 理 内 存 分 时 共享 正 逐 渐 成 为 系 统 虚 拟 化 的 瓶 颈，也 成 为 当 前 虚 拟机 资 源 管 理 的 研 究 热 点当 多 个 虚 拟 机 部 署 在 同 一 台 物 理 主 机 上 时，需要 在 虚 拟 机 之 间 分 配 物 理 内 存如 果 静 态 分 配，即 在虚 拟 机 运 行 过 程 中 所 占 用 物 理 内 存 大 小 不 发 生 变化，则 物 理 主 机 上 所 能 并 发 执 行 的 虚 拟 机

9、数 目 受 到物 理 内 存 大 小 的 限 制此 外，不 同 虚 拟 机 中 运 行 的 上层 服 务 对 内 存 的 需 求 各 不 相 同 且 动 态 变 化，静 态 分配 必 然 会 造 成 内 存 资 源 分 配 不 合 理，影 响 虚 拟 机 执行 效 率文 献 设 计 并 实 现 了 各 种 虚 拟 机 动 态内 存 平 衡 机 制，然 而 当 前 研 究 存 在 如 下 问 题：（） 、 和 等 虽 然 提 供 了 气球 驱 动、页 面 交 换 和 内 存 共 享 等 机 制 来 动 态 调 整 虚拟 机 的 内 存，但 缺 乏 从 全 局 角 度 进 行 多 虚 拟 机 内

10、存协 同 管 理 的 系 统 架 构； （）多 虚 拟 机 间 缺 乏 内 存 协同 分 配 策 略，当 虚 拟 机 内 存 充 裕 时 系 统 应 当 从 哪 些虚 拟 机 回 收 内 存、回 收 多 少 内 存、回 收 的 内 存 优 先 分配 给 哪 些 虚 拟 机 使 用，这 些 仍 然 是 开 放 的 问 题针 对 上 述 问 题，本 文 首 先 提 出 了 自 发 调 节 与 全局 调 节 协 作 的 多 虚 拟 机 内 存 管 理 体 系 结 构根 据 多虚 拟 机 系 统 中 所 有 虚 拟 机 的 内 存 状 态 信 息，通 过 定义 内 存 资 源 充 裕 状 态 和 内

11、存 资 源 紧 缺 状 态，依 据 多虚 拟 机 系 统 所 处 的 场 景 执 行 不 同 的 内 存 调 节 策 略其 次，提 出 了 自 发 调 节 和 全 局 调 节 之 间 协 作 的 算 法自 发 调 节 在 内 存 充 裕 状 态 生 效，通 过 操 作 系 统 本 身的 统 计 信 息 获 取 内 存 使 用 信 息，利 用 提 供 的 气球 驱 动 机 制 调 整 分 配 给 不 同 虚 拟 机 的 内 存 资 源针对 内 存 紧 缺 状 态，提 出 了 基 于 空 闲 内 存 价 格 的 全 局调 节 策 略，结 合 客 户 操 作 系 统 的 空 闲 内 存 值 和 空闲

12、 交 换 空 间 等 信 息，确 定 每 个 客 户 操 作 系 统 的 空 闲内 存 价 格，通 过 平 衡 价 格 的 方 法 达 到 内 存 资 源 的平 衡本 文 第节 简 要 介 绍 与 本 文 相 关 的 研 究 工 作，并 分 析 与 我 们 研 究 工 作 的 异 同；第节 阐 述 多 虚 拟机 内 存 管 理 系 统 的 体 系 结 构；第节 重 点 介 绍 多 虚拟 机 内 存 动 态 平 衡 算 法，详 细 给 出 自 发 调 节、全 局 调节 和 两 者 协 作 的 算 法；第节 给 出 实 验 平 台 设 置 和实 验 结 果；最 后，对 全 文 进 行 总 结 并

13、对 未 来 工 作 给出 展 望 相 关 工 作虚 拟 机 内 存 优 化 的 目 的 是 通 过 掌 握 当 前 虚 拟 机内 存 使 用 情 况 以 及 预 测 虚 拟 机 未 来 负 载 变 化，从 过度 占 用 内 存 的 虚 拟 机 中 回 收 内 存，以 提 供 给 内 存 紧缺 的 虚 拟 机 使 用 或 用 来 启 动 新 的 虚 拟 机，在 不 导 致服 务 性 能 严 重 下 降 的 前 提 下，优 化 多 虚 拟 机 间 的 内 存分 布当 前 的 内 存 优 化 策 略 主 要 分 为 页 面 复 用 技 术、内 存 动 态 调 整 机 制 和 多 虚 拟 机 内 存

14、平 衡 技 术类（）页 面 复 用 技 术 主 要 包 括 页 面 交 换（ ）和 页 面 共 享（ ）技 术 系 统首 先 提 出 了 将 虚 拟 机 的 部 分 物 理 内 存页 面 与 宿 主 操 作 系 统（ ）的 交 换 磁 盘 分 区 交换，允 许 虚 拟 机 使 用 超 过 实 际 机 器 内 存 大 小 的 内 存空 间 与 等 人分 别 在 和 中实 现 了 基 于 交 换 的 虚 拟 存 储 技 术文 献进 一 步 提出 了 基 于 页 面 内 容 比 较 的 虚 拟 机 间 内 存 共 享 技 术，通 过 一 致 性 等 方 法，识 别 同 一 虚 拟 机 或 不 同虚

15、拟 机 间 存 储 同 样 内 容 的 页 面，达 到 节 约 内 存 的 目的 等 人 通 过 将 页 面 共 享 技 术 与 页 面 压缩、页 面 补 丁 技 术 相 融 合，大 幅 度 地 提 高 了 虚 拟 机 内存 资 源 的 利 用 率（）内 存 动 态 调 整 机 制 主 要 包 括 气 球 驱 动 技 术（ ）和 热 插 拔 技 术（ ）气 球 驱 动 技 术 是 内 存 动 态 调 整 的 主 流 技 术 首 先 提 出 了 气 球 驱 动 机 制，通 过 回 收 某 些 虚 拟 机中 未 使 用 的 内 存 页 面，满 足 内 存 需 求 剧 增 的 虚 拟 机请 求虚 拟

16、 机 管 理 器 和 分 别 在 各 自 系 统中 提 供 了 对 气 球 驱 动 机 制 的 支 持 虚 拟 热 插 拔在 虚 拟 机 内 存 波 动 时，通 过 对 操 作 系 统 中 内 存 管 理接 口 的 欺 骗，伪 装 成 运 行 时 系 统 物 理 内 存 得 到 了 增计 算 机 学 报 年加 或 缩 减，从 而 使 虚 拟 机 地 址 空 间 具 备 了 伸 缩 能 力文 献 详 述 了 逻 辑 层 虚 拟 热 插 拔 的 工 作 原 理，此后 文 献 进 一 步 剖 析 热 插 拔 和 气 球 驱 动 两 种 方 法的 优 缺 点（）多 虚 拟 机 内 存 平 衡 技 术

17、可 以 分 为 单 台 物 理机 和 多 台 物 理 机 间 的 内 存 平 衡文 献 提 出 了 基于 黑 盒 与 灰 盒 的 单 台 物 理 机 内 部 多 虚 拟 机 内 存 平 衡方 法， 提 出 了 基 于 气 球 驱 动 机制 的 策 略， 等 人 提 出 了 基 于 缺页 率 曲 线 的 虚 拟 机 内 存 预 测 方 法 及 内 存 分 配 策 略文 献 提 出 了 虚 拟 机 的 动 态 内 存 映 射 模 型（ ） ，将 半 虚 拟 化、影 子 页 表 和 硬 件 辅 助 虚 拟 化等 与 虚 拟 存 储、内 存 共 享 等 融 合 起 来文 献 通 过引 入 双 层 地

18、址 空 间 映 射 机 制，构 建 了 跨 越 多 个 物 理机 的 虚 拟 机 内 存 优 化 框 架上 述 研 究 工 作 中 页 面 复 用 技 术 和 内 存 动 态调 整 机 制 提 供 了 内 存 动 态 分 配 的 底 层 支 持 机制，但 并 没 有 解 决 内 存 在 各 虚 拟 机 间 何 时 分 配、如 何分 配 等 问 题，而 文 献 缺 乏 从 全 局 角 度 进 行 多虚 拟 机 内 存 协 同 管 理 系 统 架 构 和 协 同 调 度 策 略本文 将 对 其 进 一 步 深 入 研 究，提 出 新 的 高 效 解 决 方 法 多 虚 拟 机 内 存 动 态 管

19、理 体 系 结 构多 虚 拟 机 内 存 管 理 以 多 个 虚 拟 机 内 存 资 源 的 动态 自 适 应 为 目 的，利 用 内 存 资 源 的 使 用 情 况 等 信 息，决 定 给 不 同 的 虚 拟 机 分 配 不 同 大 小 的 内 存，从 而 达到 物 理 机 器 内 存 的 最 大 有 效 使 用 和 多 个 虚 拟 机 内 存资 源 均 衡 分 配因 此，多 虚 拟 机 内 存 管 理 系 统 应 具 备以 下 功 能： （）监 测 物 理 机 内 存 资 源 的 使 用 情 况，间歇 性 地 获 取 正 在 使 用 的 物 理 内 存 的 大 小 和 空 闲 内 存大 小

20、，供 内 存 调 节 决 策 使 用； （）监 测 每 个 虚 拟 机 中客 户 操 作 系 统 内 存 资 源 的 使 用 情 况，间 歇 性 地 的 获取 客 户 操 作 系 统 的 最 大 可 分 配 内 存 值、最 小 可 分 配内 存 值、正 在 使 用 中 的 内 存 值、空 闲 内 存 值、空 闲 交换 空 间 值 和 系 统 所 有 应 用 提 交 给 客 户 操 作 系 统 的 内存 值 等 内 存 信 息； （）在 内 存 资 源 充 裕 状 态 下，多 虚拟 机 内 存 管 理 系 统 能 够 根 据 每 个 客 户 操 作 系 统 上 的应 用 提 交 给 系 统 的

21、内 存 值，来 调 节 客 户 操 作 系 统 的内 存 值； （）在 内 存 紧 缺 状 态 下，能 够 从 全 局 角 度 根据 每 个 客 户 操 作 系 统 内 存 的 使 用 情 况 和 物 理 内 存 的情 况，平 衡 每 个 客 户 操 作 系 统 的 内 存 值 相对 于 其 他 客 户 操 作 系 统 优 先 级 较 高，因 此 在 首 先 保证 内 存 使 用 情 况 下，再 执 行 对 其 他 客 户 操作 系 统 的 内 存 平 衡 策 略另 外，在 进 行 内 存 调 节 的 过程 中，需 要 考 虑 内 存 调 节 引 起 的 内 存 和 计 算 能 力 的开 销多

22、 虚 拟 机 内 存 动 态 管 理 系 统 体 系 结 构 如 图所示，主 要 由 内 存 信 息 采 集（ ， ） 、管 理 策 略（ ， ） 、调 节 机 制（ ， ）个 部 分 组 成内 存 信 息采 集 模 块 包 括 虚 拟 机 监 视 模 块（ ）和 物 理 机 监视 模 块（ ）管 理 策 略 包 含 自 发 调 节（ ）和 全 局 调 节 策 略（ ）图 多 虚 拟 机 内 存 动 态 管 理 系 统 体 系 结 构 期张 伟 哲 等：云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究 内 存 信 息 采 集 模 块 负 责 内 存 使 用 信 息

23、 的 获 取，供 管 理 策 略 部 分 决 策 使 用，是 整 个 多 虚 拟 机 内 存 管理 系 统 的 基 础内 存 监 视 模 块 周 期 性 地 获 取 内 存 信息，并 把 内 存 信 息 发 送 给 调 节 管 理 模 块内 存 监 视 模块 分 为 虚 拟 机 内 存 监 视 模 块 和 物 理 机 内 存 监 视 模块虚 拟 机 内 存 监 视 模 块 不 仅 可 以 获 取 分 配 给 虚 拟机 的 物 理 内 存 的 使 用 情 况，还 可 以 获 得 每 个 虚 拟 机的 交 换 空 间 的 使 用 情 况；物 理 机 内 存 监 视 模 块，可 以获 得 物 理 机

24、 的 总 内 存 值 和 空 闲 内 存 值 以 及 运 行 的 所有 客 户 操 作 系 统 的 最 大 内 存 信 息 等管 理 策 略 模 块 是 多 虚 拟 机 内 存 管 理 系 统 的 核心，负 责 整 个 系 统 调 节 策 略 的 制 定 和 决 策根 据 按 需分 配 的 调 节 原 则，在 内 存 资 源 充 裕 的 情 况 下，给 每 个客 户 操 作 系 统 分 配 充 足 的 内 存，调 节 工 作 由 自 发 调节 模 块 完 成在 内 存 资 源 紧 缺 状 态 下，各 个 客 户 操 作系 统 自 发 地 调 节 已 经 无 法 满 足 按 需 分 配 原 则，

25、此 时调 节 工 作 则 由 全 局 调 节 模 块 完 成全 局 调 节 模 块 决定 从 哪 些 客 户 操 作 系 统 中 收 回 内 存，向 哪 些 客 户 操作 系 统 分 配 内 存，并 计 算 出 可 回 收 和 分 配 的 内 存 大小，将 给 出 的 每 个 犝的 最 佳 内 存 值 下 发 给 实际 调 节 部 分详 细 内 容 将 在 第节 介 绍调 节 机 制 负 责 具 体 的 资 源 调 节 工 作，本 文 采 用 中 的 机 制 作 为 内 存 调 节 机 制，使 用 完 成 各 部 分 间 的 数 据 交 互内 存 信 息采 集 模 块 中 的 虚 拟 机 监

26、视 模 块（ ）在 犝中 通 过 轻 量 级 实 现，物 理 机 监 视 模 块（ ）在 中 实 现全 局 调 节 模 块（ ）负 责 全 局 的 调 节，运 行 在 中；自 发 调 节 模 块（ ）负 责 各 个 犝内 存 资 源 的 调 节，运 行 在 犝中 多 虚 拟 机 内 存 动 态 平 衡 算 法本 节 首 先 给 出 自 发 调 节 与 全 局 调 节 的 定 义，而后 阐 述 了 两 者 协 同 工 作 算 法，最 后 分 别 详 细 描 述 了自 发 调 节 和 全 局 调 节 算 法 自 发 调 节 与 全 局 调 节为 了 方 便 讨 论，表列 出 了 虚 拟 机 内 存

27、 资 源 信息 的 形 式 化 定 义在 对 自 发 调 节 和 全 局 调 节 进 行 定义 前，首 先 形 式 化 地 定 义 内 存 资 源 的 状 态设犜犺为物 理 机 所 有 可 用 的 物 理 内 存 的 大 小；犉犺为 物 理 机 上空 闲 内 存 的 大 小集 合犞是 所 有 客 户 操 作 系 统 的 集合对 于 每 个 虚 拟 机犞 犕犻犞在 启 动 时 设 定 了 一 个最 大 内 存 值犎犻和 一 个 最 小 内 存 值犔犻对 每 个 虚 拟机 上 运 行 的 客 户 操 作 系 统 都 有 一 个 对 未 来 的 内 存 需求 提 交 的 预 测 值犆犻，受 虚 拟

28、机 最 大 和 最 小 内 存 值 限定，调 整 地 提 交 内 存 值犕 犆犻 （ （犔犻，犆犻） ，犎犻）设犖犻为 当 前 时 刻 分 配 给 每 个 虚 拟 机 的 内 存值，则（犕 犆犻犖犻）为 所 有 启 动 了 自 发 调 节 服 务 的虚 拟 机 需 要 的 内 存 值 的 总 和，该 值 为 正 值 表 示 需 要使 用 剩 余 的 空 闲 物 理 内 存，负 值 表 示 需 要 释 放 虚 拟机 多 余 的 内 存 资 源表 虚 拟 机 内 存 信 息 符 号 表符 号含 义犎犻最 大 内 存犔犻最 小 内 存犆犻提 交 内 存 值犕 犆犻根 据 最 大 和 最 小 内 存

29、值 调 整 后 提 交 的 内 存 值犖犻当 前 分 配 给 虚 拟 机 的 内 存 值犖 狋犻下 一 时 刻 虚 拟 机 目 标 内 存 值（不 包 含 内 存“红 利” ）犜犻虚 拟 机 最 终 目 标 内 存 值（包 含“红 利” ）犉犻当 前 虚 拟 机 空 闲 内 存 值犃犻处 于 活 动 状 态 的 内 存，等 于犖犻犉犻犛 犉犻空 闲 交 换 空 间 大 小犛 犜犻交 换 空 间 总 大 小定 义 内 存 资 源 充 裕 状 态当犉犺（犕 犆犻犖犻）时，物 理 机 空 闲 内 存 资 源 可 以 满 足 所 有 虚 拟 机提 交 内 存 的 需 要，称 此 状 态 为 内 存 资

30、 源 充 裕 状 态定 义 内 存 资 源 紧 缺 状 态当犉犺（犕 犆犻犖犻）时，空 闲 的 物 理 内 存 资 源 无 法 满 足 所 有 虚 拟 机提 交 内 存 的 需 要，称 此 状 态 为 内 存 资 源 紧 缺 状 态定 义 多 虚 拟 机 内 存 自 发 调 节若 系 统 处 于内 存 充 裕 状 态，各 虚 拟 机 可 根 据 客 户 操 作 系 统 提 交 的内 存 值 自 行 调 节，此 种 内 存 调 节 方 式 称 为 自 发 调 节定 义 多 虚 拟 机 内 存 全 局 调 节当 系 统 处 于内 存 紧 缺 状 态 下，物 理 机 内 存 资 源 已 经 无 法

31、满 足 多个 虚 拟 机 提 交 内 存 的 需 求 了，出 现 内 存 资 源 需 求 竞争此 时，需 要 从 多 虚 拟 机 全 局 的 角 度 来 考 虑 平 衡 调节 策 略，此 种 内 存 调 节 方 式 称 为 全 局 调 节 自 发 调 节 与 全 局 调 节 的 协 同 算 法自 发 调 节 和 全 局 调 节 的 区 别 在 于 自 发 调 节 对 于每 个 虚 拟 机 无 需 知 道 其 它 虚 拟 机 的 内 存 使 用 信 息，只 根 据 自 身 信 息 就 可 以 决 定 分 配 多 少 内 存 资 源而全 局 调 节 需 要 掌 握 每 个 受 控 的 客 户 操

32、作 系 统 的 内 存使 用 信 息，从 全 局 的 角 度 执 行 平 衡 调 节 策 略 决 定 分 配给 每 个 虚 拟 机 多 少 内 存 资 源全 局 调 节 依 赖 自 发 调 节发 送 的 虚 拟 机 内 存 信 息，自 发 调 节 受 控 于 全 局 调 节自 发 调 节 和 全 局 调 节 之 间 的 协 作 算 法如 下 所示，其 算 法 的 复 杂 性 取 决 于 从 其 它 犝中 回 收计 算 机 学 报 年内 存 资 源 和 执 行 多 个犇 狅 犿 犪犻 狀犝的 全 局 平 衡 调 节策 略算 法 自 发 调 节 与 主 动 调 节 协 同 算 法输 入：间 隔 时

33、 间狋犻 犿 犲输 出：无 （狋犻 犿 犲） （） 调 节 内 存；全 局 调 节 标 志 设 置 为 假；（空 闲 内 存 资 源 不 够 使 用） 禁 用 自 发 调 节；从 其 它 犝中 回 收 内 存 资 源；全 局 调 节 标 记 设 置 为 真； （全 局 调 节 标 记 为 真内 存 资 源 处 于 紧 缺 状 态） 禁 用 自 发 调 节；执 行 多 个 犝的 全 局 平 衡 调 节 策 略； 启 用 自 发 调 节； （狋犻 犿 犲） ；首 先 需 要 考 虑 的 是 不 同 之 间 的 优 先 级关 系 主 要 负 责 的 创 建、管 理、配 置 等工 作，并 完 成 设

34、备 驱 动，相 对 于 其 它 犝更 加重 要因 此 无 论 是 在 内 存 资 源 充 裕 状 态，还 是 在 内 存资 源 紧 缺 状 态 下，分 配 给 的 调 节 内 存 值 应始 终 为 客 户 操 作 系 统 的 提 交 内 存 值满 足 需 求 的 前 提 下，再 在 各 个 犝之 间 进行 全 局 调 节内 存 资 源 充 裕 状 态 下，所 有 客 户 操 作 系统 内 存 调 节 由 自 发 调 节 机 制 完 成；在 全 局 调 节 模 式被 触 发 后，拥 有 自 发 调 节 服 务 的 客 户 操 作 系 统 的 自发 调 节 服 务 将 被 禁 用其 次 要 考 虑

35、 全 局 调 节 的 触 发 时 机 优先 级 高 于 其 它 犝，在 无 法 满 足 内 存资 源 需 求 时，需 要 从 其 它 犝中 回 收 内 存，区别 于 只 是 在 相 同 优 先 级 的 犝之 间 进 行 内 存资 源 平 衡；然 而，通 常 情 况 下，并 不 在 中 运行 计 算 或 者 服 务 程 序， 的 内 存 只 是 在 有 新的 虚 拟 机 启 动 或 者 有 虚 拟 机 关 闭 的 时 候 才 出 现 内 存使 用 的 明 显 变 化因 此，当 能 够 满 足 内 存资 源 需 要 后 的 一 段 时 间 内 都 不 会 出 现 第 一 种 情 况，即 不 需 要

36、 从 其 它 犝中 回 收 内 存 资 源这 两 种情 况 下 系 统 都 是 处 于 内 存 资 源 紧 缺 状 态综 上，可 以确 定 以 下 两 种 情 况 会 触 发 全 局 调 节 模 式：（） 无 法 满 足 提 交 内 存 需 要 时，需 要从 其 它 客 户 操 作 系 统 回 收 内 存；（）能 够 满 足 的 需 要，但 内 存 资 源 处于 紧 缺 状 态 自 发 调 节 策 略自 发 调 节 和 全 局 调 节 模 式 在 同 一 时 间 只 能 有 一个 处 于 启 用 状 态，判 定 哪 种 模 式 处 于 启 用 状 态 和 如何 执 行 最 终 的 内 存 调

37、节 是 自 发 调 节 策 略 重 点从 文 件 系 统 的 中 可 以 得 到 客 户 操 作 系统 的 内 存 信 息，包 括 提 交 内 存 值 ；利用 作 为 客 户 操 作 系 统 和 之 间 内存 信 息 和 控 制 信 息 传 递 的 媒 介；利 用 气 球 驱 动 机 制作 为 调 节 客 户 操 作 系 统 内 存 的 基 础自 发 调 节 算 法如 算 法所 示，算 法 复 杂 度 为犗（）算 法 自 发 调 节 算 法子 程 序：调 节 到 目 标 内 存狋 狔 狆 犲 为 自 发 调 节，其 它 非 负 整 数 都 为 全 局 调节 目 标 内 存 值输 入：调 节 类

38、 型；输 出：无 （ 狋 狔 狆 犲） （狋 狔 狆 犲 ） 计 算 自 发 调 节 模 式 目 标 内 存；目 标 内 存 值 为 自 发 调 节 内 存； 目 标 内 存 值 为 全 局 调 节 内 存 值； 获 取 当 前 内 存 值；（犮 狌 狉 狉 犲 狀 狋狋 犪 狉 犵 犲狋） 根 据 上 调 比 率 计 算 目 标 内 存； （犮 狌 狉 狉 犲 狀 狋狋 犪 狉 犵 犲狋） 根 据 下 调 比 率 计 算 目 标 内 存； 调 节 当 前 内 存 到 目 标 内 存；自 发 调 节：输 入：间 隔 时 间狋犻 犿 犲输 出：无 （狋犻 犿 犲） 通 知 全 局 调 节 自 发

39、 调 节 启 动； （ ） 根 据 配 置 和 全 局 控 制， 判 断 自 发 调 节 状 态； （自 发 调 节 启 用） （） ； 获 取 全 局 目 标 内 存犵 犾 狅 犫 犪 犾； （犵 犾 狅 犫 犪 犾） ；向 全 局 发 送 内 存 等 状 态 信 息； （狋犻 犿 犲） ； 期张 伟 哲 等：云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究在 自 发 调 节 的 触 发 过 程 中 需 要 注 意 以 下 问 题：（）自 发 调 节 启 用 需 要 通 知 主 控 模 块自 发 调 节 的启 动 时 间 的 不 确 定 性 要 求 自 发 调

40、节 在 启 动 后 需 要 通知 主 控 模 块若 自 发 调 节 在 启 用 后 没 有 通 知 主 控 模块，则 主 控 模 块 在 进 行 调 节 时 并 不 知 道 犝自身 已 经 作 出 了 调 节，会 引 发 内 存 资 源 竞 争； （）自 发调 节 是 否 启 用 开 始 时 由 自 己 控 制，后 受 控 于 主 控 模块自 发 调 节 是 否 启 用 在 开 始 时 由 自 身 的 配 置 文 件决 定，一 旦 全 局 调 节 改 变 了 配 置 的 状 态，自 发 调 节 是否 启 用 的 状 态 只 受 控 于 全 局 调 节（）对 于 客 户 操作 系 统 来 说，自

41、 发 调 节 和 全 局 调 节 同 时 只 能 有 一 个处 于 启 用 状 态也 即 对 于 每 一 个 客 户 操 作 系 统 来 说同 一 时 间 只 受 控 于 一 种 调 节 机 制，不 会 出 现 调 节冲 突 全 局 调 节 策 略在 处 于 内 存 紧 缺 状 态 时，自 发 调 节 策 略 已 不 能满 足 需 要需 要 从 全 局 视 角 对 有 限 的 内 存 资 源 重 新动 态 分 配 等 人提 出 了 按 股 份 分 配的 思 想：在 按 比 例 分 配 方 案 中，客 户 拥 有 的 分 配 资 源的 权 利 称 为 股 份，客 户 根 据 拥 有 的 股 份

42、按 比 例 地 分配 与 回 收 系 统 资 源当 内 存 资 源 紧 缺 时，系 统 从 不 完全 使 用 其 内 存 的 客 户 中 收 回 内 存 资 源空 闲 内 存 税 表示 从 一 个 客 户 中 收 回 空 闲 页 面 的 最 大 比 重对 于 一 个股 份 为犛的 客 户，当 前 分 配 的 内 存 页 为犘，其 中 有犳部 分 处 于 活 动 状 态，每 页 股 份 率为犛犘（犳犽（ 犳） ）其 中，犽 （ ）为 空 闲 页 开 销，（ ）为 空 闲 内 存 税空 闲 内 存 税指 定 了 可 以 回 收多 少 空 闲 内 存 资 源当 时，方 法 是 纯 粹 的 按 比例

43、分 配 方 法，当 时，所 有 的 空 闲 内 存 资 源 都 将被 收 回然 而 该 方 法 没 有 考 虑 交 换 空 间 对 空 闲 内 存税 的 影 响，更 重 要 的 是 该 方 法 并 没 有 提 出 定 量 计 算多 虚 拟 机 间 动 态 内 存 分 配 的 策 略因 此，本 节 提 出 基于 空 闲 内 存 税 的 全 局 调 节 策 略我 们 规 定 每 个 客 户 操 作 系 统 拥 有 的 股 份 是 相 同的，设 定 每 个 客 户 操 作 系 统 的犛 ，犘犖犻，处 于 活动 部 分 的 内 存 比 率犳犃犻犖犻，可 得 该 客 户 操 作 系 统的 每 页 股 份

44、 率犻为犻 （犃犻犽（犖犻犃犻） ）（ ） （犖犻犃犻）其 中，犖犻为 该 客 户 操 作 系 统的 当 前 内 存 值，犃犻为 该 客 户 操 作 系 统 处 于 活 动 状 态的 内 存 值，且犃犻犖犻犛犻内 存 处 于 紧 缺 的 客 户 操作 系 统 会 使 用 系 统 的 交 换 空 间，且 使 用 率 不 同考 虑加 入 交 换 空 间 后 每 页 股 份 率犻如 式（）所 示，为 交换 空 间 使 用 率 加 权 比，控 制 交 换 空 间 的 使 用 情 况 在每 页 股 份 使 用 率 评 价 中 的 比 重犻（ ）（ 犛 犉犻犛 犜犻）犖犻犃犻（）设犖 狋犻为 下 一 时

45、刻 分 配 给 客 户 操 作 系 统 的 内 存值，在 物 理 机 处 于 内 存 资 源 紧 缺 状 态 时，平 衡 多 虚 拟机 的 内 存 资 源 为 平 衡 空 闲 内 存 的 价 格，即 求 下 一 时刻 分 配 给 客 户 操 作 系 统 多 少 内 存 资 源 可 以 保 证 多 个虚 拟 机 的 空 闲 内 存 价 格 相 等由 此 可 得 方 程 组 如式（）所 示：（ ） 犛 犉犛 犜（ ）犖 狋犃（ ） 犛 犉犛 犜（ ）犖 狋犃；（ ） 犛 犉犛 犜（ ）犖 狋犃（ ） 犛 犉犛 犜（ ）犖 狋犃；（ ） 犛 犉犛 犜（ ）犖 狋犃（ ） 犛 犉狀犛 犜（ ）狀犖 狋

46、狀犃狀；犖犻犖 狋犖 狋犖 狋烅烄烆狀（）设（ ） 犛 犉犻犛 犜（ ）（）犻（ ） 犛 犉犛 犜（ ）（）犫犻，其 中犻 ， ，狀化 简 方 程 组（）得犫犖 狋犖 狋犫犻犃犃；犫犖 狋犖 狋犫犻犃犃；犫狀犖 狋犖 狋犫犻犃犃；犖 狋犖 狋犖 狋狀犖烅烄烆犻（）由 此，可 得 方 程 组 的 系 数 矩 阵犃（如 式（）所示） ，犃是狀狀的犃犫 犫 犫狀 烄烆烌烎 （）易 求 的 系 数 矩 阵犃的 秩 为狀又 因 为 一 个 满 秩方 阵 和 其 增 广 矩 阵 同 秩若 对 于犃 狓犫线 性 方 程组，矩 阵（犃）的 秩 与（犃 犫）的 秩 相 等，并 且 等 于 满秩，则 方 程 组犃

47、 狓犫有 唯 一 解全 局 调 节 算 法 如 算 法所 示根 据 该 算 法 可 求得 每 个 客 户 操 作 系 统 下 一 时 刻 分 配 的 内 存 资 源 值犖 狋犻犉犺为 物 理 机 上 空 闲 内 存 的 值，可 求 虚 拟 机 目 标内 存 值犜犻犖 狋犻犉犺犖 狋犻犖 狋犻，其 中犜犻就 是 需计 算 机 学 报 年要 求 的 每 个 客 户 操 作 系 统 的 最 终 目 标 内 存构 造 线性 方 程 组 的 算 法 复 杂 度 为犗（狀） ，求 解 线 性 方 程 组 的复 杂 度 为犗（狀） ，因 此 最 好 情 况 下 算 法 复 杂 度 为犗（狀） ，最 坏 情

48、况 下 复 杂 度 为犗（狀） ，其 中狀为 受 控的 虚 拟 机 个 数算 法 平 衡 空 闲 内 存 价 格 的 全 局 调 节 算 法输 入：当 前 内 存 值 之 和，所 有 虚 拟 机 内 存 信 息输 出：每 个 虚 拟 机 的 目 标 内 存 值 （狋狅 狋 犪 犾犮 狌 狉） （只 有 一 个 客 户 操 作 系 统） 根 据 最 大 和 最 小 内 存，调 整 目 标 内 存 值； 构 造 线 性 方 程 组；解 线 性 方 程 组；犖 ； （未 全 遍 历 本 次 计 算 受 控 客 户 系 统） （目 标 结 果 需 要 调 整） 根 据 最 大 和 最 小 内 存，调

49、整 目 标 内 存；狋狅 狋 犪 犾犮 狌 狉 调 整 结 果；犖 ； （犖 ） （狋狅 狋 犪 犾犮 狌 狉） ； 实 验 结 果 及 性 能 分 析本 节 实 验 分 为部 分：第部 分 通 过 实 验 测 定自 发 调 节 与 全 局 调 节 算 法 中 空 闲 内 存、空 闲 内 存 税率 和 交 换 空 间 使 用 率 等 关 键 参 数；第部 分 验 证 自发 调 节 与 全 局 调 节 算 法 的 有 效 性；第部 分 采 用 和 等 标 准 测 试 程 序，进 一步 验 证 多 虚 拟 机 内 存 管 理 系 统 的 性 能；第部 分 和第部 分 分 析 多 虚 拟 机 内 存

50、 管 理 系 统 的 开 销 与 可 扩展 性实 验 环 境 采 用 服 务 器 和 服 务 器为核（个 ） ， 双 通 道 内 存客 户 机系 统 为 ，为 了 避 免 竞 争，实 验 中 给每 个 虚 拟 机 分 配 一 个 核 心客 户 机 上 的 守 护进 程 使 用 编 写全 局 调 节 使 用语 言 实 现，调节 每 秒 运 行 一 次每 个 客 户 机 的 初 始 内 存 值 为 ，基 线 数 据 通 过 在 没 有 内 存 信 息 收 集 和 内 存调 节 的 环 境 下 测 得基 准 测 试 程 序 包 括 两 个 微 内 核 基 准 测 试 程 序（ 和 ）和 两 个 微

51、内 核 程序（ 和 ） 运 行 时 随 机 申 请一 个狉大 小 的 内 存 空 间狉犾 狅 狑，犺 犻 犵 犺 ，然 后 以 确定 的 迭 代 次 数 随 机 地 访 问 申 请 的 内 存 空 间，当 迭 代完 成 时，释 放 申 请 的 内 存 空 间 并 开 始 下 一 次 重 复 操作 和 相 似，但 在 每 个 阶 段 的 访 问 中， 申 请 的 内 存 空 间 的 大 小 先 从犾 狅 狑到犺 犻 犵 犺单调 递 增，然 后 再 从犺 犻 犵 犺到犾 狅 狑单 调 递 减 是一 组 测 试 标 准 集 合，包 括 个 真 实 的 计 算 机应 用 程 序，其 中 一 些 程 序

52、 计 算 需 要 很 大 的 内 存 资 源默 认 情 况 下，初 始 的 堆 空 间 大 小 为 ，最大 为 是 标 准 性 能 评 价 公 司（ ）发布 的 测 试 标 准 发 布 是 在 广 泛 使用 的 硬 件 平 台 上，提 供 了 对 计 算 密 集 型 性 能 进 行 对比 的 测 试 标 准 关 键 参 数 测 定空 闲 内 存 值多 数 情 况 下，通 过 读 取 客 户 操 作系 统 中 文 件 系 统 的 信 息 即 可 获 得 当前 空 闲 内 存 值然 而，当 物 理 机 内 存 资 源 处 于 紧 缺 状态 时，空 闲 内 存 会 出 现 短 时 间 剧 烈 颠 簸

53、 现 象在 分 配 内 存 的 客 户 操 作 系 统 （ ）中，运 行 标 准 测 试 程序，内 存 访 问 范 围 为 如 图（）所示：采 集 到 的 空 闲 内 存 值 出 现 多 次 瞬 间 剧 烈 波 动由于 全 局 调 节 算 法 在 计 算 空 闲 内 存 价 格 时 需 要 用 到 空闲 内 存 值 的 大 小，空 闲 内 存 价 格 异 常 颠 簸 最 终 导 致全 局 调 节 算 法 分 配 给 每 个 客 户 操 作 系 统 的 内 存 值失 配分 析 发 现，剧 烈 波 动 的 原 因 是 物 理 机 内 存 资 源紧 缺 时，客 户 操 作 系 统 通 过 页 框 回

54、 收 算 法（ ， ）回 收 内 存 页面因 此 采 用 多 次 采 集 方 法 确 定 客 户 操 作 系 统 空 闲内 存 大 小设 定 空 闲 内 存 波 动 发 现 基 准犳 犿 犱（ ） ，犽为 收 集 了 空 闲 内 存 值 次 数，犳 狉 犲 犲犽 为 当 前 时 刻 获取 的 空 闲 内 存 值 的 大 小，犳 狉 犲 犲犽为 前 一 时 刻 收 集 到 的空 闲 内 存 值 的 大 小若 本 次 获 取 的 系 统 空 闲 内 存 值满 足犳 狉 犲 犲犽 犽犻 犳 狉 犲 犲犻犽犳 犿 犱，则 认 为 该 次 获 取的 内 存 值 异 常，取 前犽次 获 取 的 空 闲 内

55、 存 值 的 平 均值 作 为 该 时 刻 系 统 的 空 闲 内 存 值，即犳 狉 犲 犲犽 犽犻 犳 狉 犲 犲犻犽根 据 上 述 方 法 实 验 结 果 如 图（）所 示：空 闲 内 存 波 动 降 低，为 内 存 动 态 调 整 提 供 了 保 障空 闲 内 存 税 率启 动 两 个 客 户 操 作 系 统，每 个 系统 的 最 大 内 存 值 为 ，分 配 的 当 前 内 存 值 为 期张 伟 哲 等：云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究图 基 于 标 准 测 试 程 序 确 定 空 闲 内 存 示 意 图 首 先 在 两 个 客 户 操 作

56、 系 统 中 配 置 了 不 启 用自 发 调 节 方 式 的 自 发 调 节 服 务，在 中 启 用只 按 照 基 于 空 闲 内 存 价 格 的 调 节 策 略 进 行 计 算，不作 实 际 调 节 工 作在 其 中 一 台 客 户 操 作 系 统 上 运 行 标 准 测 试 程 序，另 一 台 机 器 上 不 运 行 任 何 程序并 且 设 置 内 存 空 闲 税 率为，随 时 间值 逐 渐递 增实 验 结 果 如 图所 示：当 空 闲 内 存 税 率 递 增 至 时，调 节 程 序 会 根 据 内 存 使 用 情 况 多 分 配 的 内 存（ 访 问 时，两 个 客 户 操 作 系 统

57、中 内 存 增 加 了 ，而 内 存 减 少 了 ）因 此，确 定 内 存 空 闲 税 率 图 基 于 标 准 测 试 程 序 确 定 空 闲 内 存 税 率 示 意 图交 换 空 间 使 用 率交 换 空 间 使 用 率体 现 交 换空 间 的 利 用 对 内 存 分 配 的 影 响启 动 两 个 客 户 操 作系 统，在 客 户 操 作 系 统 上 启 用 自 发 调 节 服 务，但 自 发调 节 服 务 的 自 发 调 节 被 禁 用，只 做 内 存 信 息 收 集 和交 互 工 作而 且 全 局 调 节 也 只 按 照 基 于 空 闲 内 存 价格 的 策 略 进 行 计 算 目 标

58、内 存 值，不 执 行 调 节在 中 运 行 申 请 内 存 范 围 为 ， 的 程 序， 上 不 运 行 程 序实 验 结 果 如 图所示：当 交 换 空 间 使 用 率 加 权 比 时 波 动 性 相 对 根 据 交 换 空 间 进 行 调 节 的 范 围 显 著在 小的 时 间 片 内 没 有 很 大 波 动，对 调 节 的 影 响 可 以 忽 略因 此 取 交 换 空 间 使 用 率 加 权 比 图 基 于 标 准 测 试 程 序 确 定 交 换 空 间使 用 率 加 权 比 示 意 图 内 存 动 态 平 衡 算 法 有 效 性自 发 调 节 有 效 性当 内 存 资 源 处 于 充

59、 裕 状 态时，多 虚 拟 机 内 存 管 理 系 统 使 用 自 发 调 节 作 为 基 本的 调 节 策 略，也 即 每 个 客 户 操 作 系 统 使 用 提 交 内 存值 作 为 调 节 的 目 标 内 存 值在 客 户 操 作 系 统 分 别 运行 和 两 个 测 试 标 准，申 请 内 存 范 围 为 ， 和 ， 实 验 结 果 如 图和图所 示： 和 两 个 测 试 标 准 无 论 是在 有 足 够 物 理 内 存 情 况 下（图（） 、图（） ） ，还 是使 用 了 交 换 空 间 的 测 试 结 果（图（） 、图（） ） ，均表 明 系 统 提 交 内 存 能 够 体 现 程

60、 序 占 用 内 存 资 源 的 情况，使 用 提 交 内 存 值 作 为 系 统 的 目 标 内 存 值 以 及 应用 自 发 调 节 策 略 的 有 效 性计 算 机 学 报 年图 基 于 标 准 测 试 程 序 验 证 自 发 调 节 算 法 的 有 效 性 示 意 图图 基 于 标 准 测 试 程 序 验 证 自 发 调 节 算 法 的 有 效 性 示 意 图 全 局 调 节 有 效 性采 用 和 两 个标 准 测 试 程 序 基 于 空 闲 内 存 价 格 调 节 方 式 的 有 效 性实 验 结 果 如 图和 图所 示：因 为 每 台 客 户 操 作 系 统分 配 的 内 存 值

61、为 ，因 此， 和 在申 请 访 问 内 存 在 ， 范 围 内 时 没 有 页 面（或 者 很 少）被 换 入 到 交 换 空 间从 图（）和 图（）可 以 很 明 显 地 看 出，基 于 空 闲 内 存 价 格 调 节 策 略，两个 客 户 操 作 系 统 的 目 标 内 存 值 和 运 行 在 客 户 操 作 系统 上 的 测 试 标 准 能 很 好 地 吻 合另 外，因 为 进 行 空 闲内 存 值 调 整 的 缘 故，利 用 基 于 空 闲 内 存 价 格 进 行 内存 调 节 是 一 个 缓 慢 下 降 的 过 程图（）和 图（）所示 的 （ ）和 （ ）的 实 验，因 为 客 户

62、 操 作 系 统 物 理 内 存 只 有 ，测 试 标 准 访 问 内 存 空 间 必 然 导 致 页 面 换 出操 作，对 于 （ ）当 交 换 空 间 使 用量 到 一 定 值 时，虽 然 分 配 给 每 个 客 户 操 作 系 统 内 存图 基 于 标 准 测 试 程 序 验 证 全 局 调 节 算 法 的 有 效 性 示 意 图 期张 伟 哲 等：云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究图 基 于 标 准 测 试 程 序 验 证 全 局 调 节 算 法 的 有 效 性 示 意 图值 趋 于 稳 定，但 仍 然 发 现 的 目 标 内 存 值 在 变

63、化对 于 （ ）则 可 以 很 容 易 地看 出，基 于 空 闲 内 存 价 格 的 方 式 调 节 能 够 按 照 操 作系 统 上 运 行 的 测 试 程 序 合 理 调 节 客 户 操 作 系 统 的内 存 全 局 内 存 调 节 算 法 性 能本 节 采 用 不 同 类 型 的 负 载 组 合 着 重 验 证 全 局 内存 调 节 算 法 的 性 能计 算 密 集 型 加 存 储 密 集 型 负 载主 要 测 试 基 于空 闲 内 存 价 格 的 调 节 策 略 的 性 能首 先 利 用 基 本 没有 内 存 竞 争 的 程 序 进 行 实 验程 序 包 括 的 一套 标 准 和 是

64、一 个 处 理 密 集 型的 程 序，内 存 的 负 载 很 小在 上 先运 行 次 迭 代，然 后 运 行 的 标 准，同 时 在 上 先 运 行 ，接 着 运 行 同 样 迭 代 次 数 的 图给 出 了 实 验 调 节 后 程 序 运 行 时 间 和基 准 时 间 的 对 比基 准 时 间 是 程 序 在 启 动 了 自 发 调节 服 务（但 不 执 行 内 存 调 节）的 客 户 操 作 系 统 的 运 行时 间，系 统 分 配 的 内 存 始 终 为 从 图 中 可 以看 出 的 运 行 时 间 降 低 最 大 为 ，整 个 的 运 行 时 间 降 低 了 图 内 存 调 节 前 后

65、 的 性 能 对 比存 储 密 集 型 加 存 储 密 集 型 负 载在 内 存 调 节中，最 具 有 挑 战 的 情 况 就 是 当 出 现 内 存 资 源 竞 争 时在 上 运 行 ，在 上 以 逆 序 的 方 式运 行 （表 示 为 ） 和 占用 左 右 的 内 存，并 且 占 了 运 行 中 的大 部 分 时 间当 两 个 客 户 操 作 系 统 都 运 行 时，出 现 内 存 竞 争图 和 图 分 别 给 出 了 两 个 客户 操 作 系 统 上 中 各 个 程 序 运 行 时 间 和 基 准时 间 的 对 比可 以 看 出 的 运 行 时 间 缩 短 的 最大和 基 准 运 行 时

66、 间 相 比， 在 两 个 客 户 操 作系 统 上 运 行 的 总 时 间 分 别 缩 短 了 和 图 负 载 中 内 存 调 节 前 后 的 性 能 对 比图 负 载 中 内 存 调 节 前 后 的 性 能 对 比计 算 机 学 报 年 系 统 额 外 开 销额 外 开 销 包 括 存 储 开 销 和 计 算 开 销其 中 存 储开 销 包 括 全 局 调 节 存 储 各 个 客 户 操 作 系 统 相 关 的 信息、存 储 空 闲 内 存 和 空 闲 交 换 空 间 的 开 销对 于 每 一个 客 户 操 作 系 统 的 信 息 占 用 约 个 字 节，最 多 启动 个 客 户 操 作

67、系 统（ 虚 拟 机 监 视 器 至多 支 持 启 动 个 左 右 的 客 户 操 作 系 统） ，存 储 客 户操 作 系 统 内 存 信 息 需 要 的 内 存 大 小 为 ，得 出存 储 空 闲 内 存 和 空 闲 交 换 空 间 需 要 的 内 存 大 小 分 别为 和 自 发 调 节 不 做 信 息 存 储，内 存 开销 非 常 小相 比 内 存 开 销，系 统 开 销 较 为 明显 启 用 全 局 调 节 的 开 销 增 大 了 左 右，各 个 犝在 启 动 了 自 发 调 节 服 务 后， 的 开 销 增 大 了 分 别 利 用 和 对 比 观 察 运 行调 节 程 序 对 客

68、户 操 作 系 统 性 能 的 影 响如 图 和 图 所 示：运 行 了 自 发 调 节 客 户 操 作 系 统 对 和 中 的 程 序 均 有 不 同 程 度 的 影 响，其 中 对 影 响 最 小 为 ，对 和 影 响较 大，分 别 为 和 对 中 程 序的 影 响 为 之 间图 运 行 和 不 运 行 自 发 调 节 情 况 下 执 行 时 间图 运 行 和 不 运 行 自 发 调 节 情 况 下 执 行 时 间 系 统 可 扩 展 性为 体 现 基 于 空 闲 内 存 价 格 的 方 法 的 可 扩 展 性，我们 进 行 多 台 虚 拟 机 不 同 类 型 负 载 的 实 验启 动台

69、虚拟 机，第台 虚 拟 机 上 运 行 测 试 标 准 集，第台 虚 拟 机 上 逆 序 运 行 测 试 标 准 集，第台虚 拟 机 上 运 行 中 的 循环 次实 验 结 果 如 图 所 示： 标 准 集 的 运行 时 间 分 别 在 前 两 台 虚 拟 机 上 分 别 降 低 了 和 ， 运 行 时 间 增 加 了，因 为 在 开 始 时间，内 存 资 源 被 更 多 地 分 配 给 了 第台 和 第台 虚 拟机 使 用，但 从 整 体 上 来 说 系 统 的 性 能 提 高 明 显图 虚 拟 机 混 合 负 载 性 能 对 比如 图 所 示，系 统 启 动个 客 户 操 作 系 统 上

70、运 行 ，在 上 以 逆 序 的 方 式 运 行 （表 示 为 ） ，在 上 运 行 ，在 上 运 行 程 序这个 的 初 始内 存 是 ，最 大 内 存 值 均 为 与 基 准 时 间 相比，可 以 看 出 在 和 上 系 统 性 能 都 提升 了 以 上在 中 提 升 了 以 上，在 测 试 集 中 有 性 能 损 失 不 大在 内 存不 足 的 情 况 下，系 统 的 性 能 总 体 提 升 达 到 ，由 此看 出 在 比 较 复 杂 的 情 况 下，系 统 能 够 显 著 地 提 升性 能图 虚 拟 机 混 合 型 负 载 性 能 对 比 结 束 语本 文 提 出 了 自 发 调 节

71、与 全 局 调 节 协 作 的 多 虚 拟 期张 伟 哲 等：云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究机 内 存 管 理 系 统根 据 多 虚 拟 机 系 统 中 所 有 虚 拟 机的 内 存 状 态 信 息，我 们 定 义 了 内 存 资 源 充 裕 状 态 和内 存 资 源 紧 缺 状 态，依 据 多 虚 拟 机 系 统 两 种 不 同 状态 之 间 的 转 换 执 行 不 同 的 内 存 调 节 策 略，提 出 了 自发 调 节 和 全 局 调 节 之 间 协 作 的 算 法自 发 调 节 是 通过 操 作 系 统 本 身 的 统 计 信 息 获 取

72、 内 存 使 用 信 息，利用 提 供 的 气 球 驱 动 机 制 调 整 分 配 给 客 户 操 作系 统 的 内 存 资 源提 出 了 基 于 空 闲 内 存 价 格 的 全 局调 节 策 略，结 合 客 户 操 作 系 统 的 空 闲 内 存 值 和 空 闲交 换 空 闲 等 信 息，确 定 每 个 客 户 操 作 系 统 的 空 闲 内存 价 格，通 过 平 衡 价 格 的 方 法 达 到 内 存 资 源 的 平 衡利 用 多 个 标 准 测 试 程 序 对 基 于 的 多 虚 拟 机 内存 管 理 系 统 进 行 了 测 试，验 证 了 自 发 调 节 与 全 局 调节 的 有 效

73、性针 对 计 算 密 集 型 与 存 储 密 集 型 的 混 合负 载，标 准 测 试 程 序 性 能 提 升 达 到 ；针 对 存 储密 集 型 负 载，标 准 测 试 程 序 性 能 提 升 达 到 以上同 时，系 统 平 均 性 能 惩 罚 在 以 下 并 具 有 良 好的 可 扩 展 性本 文 的 方 法 对 、 和 的 服务 均 可 平 滑 扩 展，由 于 系 统 本 身 实 现 在 虚 拟 机 的 应用 层，针 对 和 进 行 服 务 时，仅 需 掌 握 应 用释 放 和 申 请 内 存 情 况，即 可 采 用 本 文 的 自 发 调 节 与全 局 调 节 策 略 进 行 调 节致

74、谢在 此，我 们 向 对 本 文 的 工 作 给 予 支 持 和 建议 的 审 稿 人 表 示 由 衷 的 感 谢！参考文献 ， ， （） ： ： ， ，（） ： ， ： ： ： ， ， ： ， ， （） ： ， ， ， ， ， ： （ ） ： ， ： ， ， ， ： ， ， （ ） ： ， ， ： ， ： ， ， ， ， ： ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ： ， ， ， ， ： ， ， ， ： ， ， （） ： ， ， ， ， （） ： （ ）（李 亚 琼，宋 莹，黄 永 兵一 种 面 向 虚 拟 化 云 计 算 平 台 的 内 存优 化 技 术计 算 机 学 报， ， （） ： ） ， ， ： ， ， ， ， ， ， ： ： 计 算 机 学 报 年犣 犎 犃 犖 犌 犠 犲犻 犣 犺 犲， ， ， ， ， 犣 犎 犃 犖 犌 犎 狅 狀 犵 犔 犻， ， ， ， ， 犣 犎 犃 犖 犌 犇 犻， ， ， 犆 犎 犈 犖 犌 犜 犪 狅， ， ， 犅 犪 犮 犽 犵 狉 狅 狌 狀 犱 （ ） ， （ ） ， （ ） （ ） （ ） （ ， ） 期张 伟 哲 等：云 计 算 平 台 中 多 虚 拟 机 内 存 协 同 优 化 策 略 研 究