Uno dei cambiamenti più interessanti portati dal kernel 2.6, ed in particolar modo dagli sviluppi successivi alla versione 2.6.32, è la memoria condivisa del kernel (Kernel shared memory - KSM).

Il KSM è stato originariamente progettato per l'uso con il Kernel-based Virtual Machine (KVM), ma esso è utile anche in ambienti non virtualizzati; infatti è stato introdotto per essere utile soprattutto nei sistemi embedded, il che indica la grande flessibilità di questo approccio. Nell'analisi che seguirà capiremo come tale meccanismo permetta l'aumento del numero di macchine virtuali concorrenti attraverso il consolidamento di pagine di memoria identiche.

Il KSM esiste sotto forma di demone nel kernel (chiamato ksmd) che esegue periodicamente la scansione delle pagine di memoria per identificare elementi duplicati che vengono poi uniti (e successivamente contrassegnati come "in sola lettura"). È possibile trovare l'implementazione del modulo KSM all'interno del codice sorgente del kernel in ./mm/ksm.c.

L'interfaccia di programmazione (API) di KSM è implementata attraverso la system call madvise (vedi listato) e da un parametro chiamato MADV_MERGEABLE il cui compito è quello di indicare una regione di memoria e renderla unificabile. Una regione di memoria può anche essere sollevata dallo stato di "unificabile" attraverso il parametro MADV_UNMERGEABLE.

Si noti che la rimozione errata di una regione di pagine attraverso madvise può generare un EAGAIN (errore da mancanza temporanea di risorse) oppure l'operazione potrebbe esaurire la memoria durante il processo di non fusione, che porta a problemi ancora maggiori (out-of-memory).

Listato madvise

#include </sys/mman.h>

int madvise(void *start, size_t length, int advice);

Nel KSM le pagine sono gestite da due strutture ad albero. Il primo, chiamato albero instabile (ksm.c/unstable_tree_search()), viene utilizzato per memorizzare nuove pagine che non sono state ancora taggate come stabili e che saranno le probabili candidate ad una fusione. All'interno di questa struttura le pagine presenti non sono protette da scrittura.

Il secondo albero (ksm.c/stable_tree_search() chiamato a sua volta da ksm.c/cmp_and_merge_page()), detto stabile, ha il compito di raccogliere le pagine che sono state trovate per essere poi unite dal KSM.

Per identificare se una pagina è volatile e meno, viene utilizzato un semplice checksum a 32 bit. Quando una pagina viene sottoposto a scansione, il suo checksum viene calcolato e memorizzato; se in una successiva scansione il checksum calcolato è diverso da quello generato in precedenza, vuol dire che la pagina sta cambiando (perchè magari è in uso da un'altra richiesta) e non è più un buon candidato per la fusione.

Il primo passo nella gestione di una singola pagina è quello di vedere se può essere trovata nel ramo stabile. Un memcmp (memory compare) viene eseguito nelle pagine da analizzare. Se il memcmp restituisce 0, le pagine sono uguali e viene rilevata una corrispondenza. Altrimenti, memcmp può restituire -1 (il che significa che la pagina candidata è ad un livello inferiore al nodo corrente) o 1 (la pagina candidata è ad un livello superiore del nodo corrente). Anche se un confronto, ad esempio su pagine da 4KB, può sembrare abbastanza pesante, nella maggior parte dei casi il memcmp si concluderà prematuramente una volta trovata la prima differenza. Pertanto, il processo stesso è veloce ed efficiente.

Quando la scansione è completa (effettuata attraverso ksm.c/ksm_do_scan()), l'albero è mantenuto stabile e le pagine orfane rimosse. L'albero instabile, invece, viene rimosso e ricostruito al momento della scansione successiva.

La struttura ad albero utilizzata dal KSM è una struttura riutilizzabile: infatti essa è anche usata dal Completely Fair Scheduler (CFS) per la memorizzazione, in ordine di tempo, dei compiti da svolgere. Potete trovare l'implementazione degli alberi nel kernel in ./lib/rbtree.c.

La gestione e il monitoraggio del KSM avviene attraverso sysfs (/sys/kernel/mm/ksm). In questa sotto directory, troverete una raccolta di file utilizzati per il controllo e il monitoraggio del KSM.

Il file run viene utilizzato per abilitare o disabilitare la fusione delle pagine. Per impostazione predefinita è disabilitato (0), ma può essere attivato, ad esempio, in questo modo:

root@host:/# echo 1 > sys/kernel/mm/ksm/run

E' possibile disattivare il file run e portare le pagine fuse ad un precedente stato di non-fusione sostituendo al comando precendete il paramentro "1" con "2".

Mentre il KSM è in esecuzione, lo si può controllare con tre parametri (interni a sysfs). Il file sleep_millisecs definisce quanti millisecondi ksmd deve andare in pausa prima di eseguire un'altra scansione. Il file max_kernel_pages definisce il numero massimo di pagine che ksmd può utilizzare (il valore predefinito è il 25% della memoria disponibile, ma è possibile scrivere uno 0 per specificare nessun limite). Infine, il file pages_to_scan definisce il numero di pagine che possono essere lette in una singola scansione. Qualsiasi utente può visualizzare questi file, ma per modificarli si necessita, ovviamente, dei privilegi di root.

Di seguito la descrizione dei restanti file:

• full_scans: numero di aree di memoria scannerizzate.
• pages_shared: numero di pagine del kernel non swap-abile che il KSM utilizza.
• pages_sharing: indicazione dei risparmi di memoria.
• pages_unshared: numero di pagine uniche controllate per la fusione.
• pages_volatile: numero di pagine che cambiano troppo spesso.

Linux non è il solo ad usare la condivisione di pagina per migliorare l'efficienza della memoria ma è l'unico tra i sistemi operativi ad aver implementato questa caratteristica. L'hypervisor ESX di VMware fornisce questa funzione sotto il nome di TPS (Trasparent Page Sharing), mentre in XEN si chiama Memory CoW.  Ma qualunque sia il nome, la funzione consente un migliore utilizzo della memoria, permettendo al sistema operativo (o hypervisor, nel caso di KVM) l'over-commit di memoria per supportare un maggior numero di applicazioni o macchine virtuali.