VMware vSphere内存管理机制解析 ― 内存回收

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。内存的管理分为回收机制和分配机制。
vmware ESX/ESXi 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/ESXi hypervisor使用以下机制回收内存：
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。
内存压缩(Memory Compression)：
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。
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。通过这种方式回收内存较慢，依赖于Guest OS内存分配的速度。
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。

在这里举一个生活中的例子来阐述内存回收机制与需求的关系，用汽车的安全防护机制来类比ESX/ESXi的内存回收机制
TPS就像刹车――随时进行以保证系统的正常运作
气球机制就像安全气囊――当遇到激烈撞击（紧急需求）机制就被激活，用以保证系统的正常运行
内存交换就像来不及踩刹车一口气撞上了绿化带――虚拟机运行性能受到了严重影响，但是索性没有更严重的破坏