內存是計算機系統最重要的資源之一，當操作系統內存不足時，進程申請內存將會失敗，從而導致其運行異常或者崩潰。

Linux 內核提供swap機制來解決內存不足的情況，其原理是：

當系統內存不足時，內核會將進程不常用的內存交換（寫入）到磁盤中，然后將這些內存歸還給系統，系統可以將這些內存繼續分配給其他需要使用內存的進程。

通過 swap 機制，系統可以將內存分配給需求更迫切的進程。但由于 swap 機制需要進行 I/O 操作，所以一定程度上會影響系統性能。那么是否存在一種能夠節省內存，而且對性能影響較少的機制呢？

在 Linux-3.14 引入了一種名為zRAM的技術，zRAM 的原理是：將進程不常用的內存壓縮存儲，從而達到節省內存的使用。如下圖所示：

zRAM 機制建立在 swap 機制之上，swap 機制是將進程不常用的內存交換到磁盤中，而 zRAM 機制是將進程不常用的內存壓縮存儲在內存某個區域。所以 zRAM 機制并不會發生 I/O 操作，從而避免因 I/O 操作導致的性能下降。

zRAM原理

由于 zRAM 機制是建立在 swap 機制之上，而 swap 機制需要配置文件系統或塊設備來完成的。所以 zRAM 虛擬一個塊設備，當系統內存不足時，swap 機制將內存寫入到這個虛擬的塊設備中。也就是說，zRAM 機制本質上只是一個虛擬塊設備。

zRAM 的原理如下圖所示：

從上圖可以看出，在開啟了 zRAM 機制的情況下，當系統內存不足時，內核會進行如下操作：

通過 swap 機制從系統中查找一些進程不常用的內存。

將這些不常用的內存交換到 zRAM 塊設備中，而 zRAM 塊設備首先會對這些不常用的內存進行壓縮，然后存儲起來。

把不常用的內存壓縮存儲到 zRAM 塊設備后，swap 機制會把這些不常用的內存歸還給內核。

當進程訪問到這些被交換到 zRAM 塊設備的內存時，swap 機制將會通過 zRAM 塊設備解壓這些內存，并且重新建立與進程的地址映射關系。

啟用zRAM

1. 創建 zRAM 塊設備

要啟用 zRAM，首先需要創建 zRAM 塊設備。要創建 zRAM 塊設備，可以使用以下命令：

modprobezramnum_devices=1

num_devices參數可以指定創建 zRAM 塊設備的個數，上面命令創建了一個 zRAM 塊設備，可以通過路徑/dev/zram0來訪問這個塊設備。

2. 設置 zRAM 塊設備的大小

創建完 zRAM 塊設備后，可以通過以下命令來設置其空間大小：

echo512M>/sys/block/zram0/disksize

上面命令設置了zram0的大小為 512MB，也就是說，zram0能夠存儲 512MB 壓縮后的數據。

3. 壓縮算法選擇

zRAM 機制支持多種壓縮算法，不同的壓縮算法有不同的壓縮比率和壓縮速度，用戶可以按照自身的需求來選擇不同的壓縮算法。

要更改 zRAM 的壓縮算法，可以使用下面命令：

echolzo>/sys/block/zram0/comp_algorithm

上面命令將 zRAM 的壓縮算法更改為lzo，我們也可以通過下面命令來查看內核支持哪些壓縮算法：

cat/sys/block/zram0/comp_algorithm
lzo[lz4]

從上面命令的輸出可知，內核支持lzo和lz4兩種壓縮算法。

4. 將 swap 交換設備設置為 zRAM

要將 swap 的交換設備設置為 zRAM 塊設備，可以使用以下命令：

mkswap/dev/zram0

當執行完上面這條命令后，內核將會使用zram0作為 swap 的交換設備。

zRAM實現

zRAM 塊設備驅動的實現代碼主要在drivers/block/zram/zram_drv.c文件中，下面我們主要圍繞此文件進行分析。

本文并不會介紹塊設備驅動的編寫流程，只會分析 swap 機制在進行內存交換時，與 zRAM 塊設備驅動的交互。

壓縮內存

當系統內存不足時，內核將會觸發swap機制。swap 機制首先會從系統中選擇一些進程不常用內存，然后將這些不常用的內存交換到zRAM塊設備中（使用 zRAM 塊設備作為交換設備的情況下）。

當 swap 機制將不常用的內存交換到 zRAM 塊設備時，會調用zram_make_request()函數處理請求。而zram_make_request()最終會通過調用zram_bvec_write()函數來壓縮內存，調用鏈如下：

zram_make_request()
->__zram_make_request()
->zram_bvec_rw()
->zram_bvec_write()

我們來分析一下zram_bvec_write()函數的實現，其代碼如下：

staticint
zram_bvec_write(structzram*zram,structbio_vec*bvec,u32index,intoffset)
{
...
//1.獲取需要進行壓縮的內存
page=bvec->bv_page;
...
user_mem=kmap_atomic(page);
uncmem=user_mem;

...
//2.對內存進行壓縮
ret=zcomp_compress(zram->comp,zstrm,uncmem,&clen);
...

//3.獲取壓縮后的數據
src=zstrm->buffer;
...

//4.申請一個內存塊保存壓縮后的數據
handle=zs_malloc(meta->mem_pool,clen);
...
cmem=zs_map_object(meta->mem_pool,handle,ZS_MM_WO);

//5.將壓縮后的數據保存到新申請的內存塊中
memcpy(cmem,src,clen);
...

//6.將壓縮后的數據登記到zRAM塊設備的表格中
meta->table[index].handle=handle;
...
returnret;
}

為了簡化分析過程，我們對代碼進行精簡。從上面的代碼可以看出，zRAM 機制對內存進行壓縮的步驟如下：

獲取需要進行壓縮的內存，需要進行壓縮的內存由 swap 機制提供。

通過zcomp_compress()函數對內存進行壓縮，src指針指向壓縮后的內存地址。

通過zs_malloc()和zs_map_object()函數申請一塊新的內存塊，大小為壓縮后數據的大小。

將壓縮后的數據復制到新申請的內存塊中。

將壓縮后的數據記錄到zRAM塊設備的表格中。

由于 zRAM 塊設備是建立在內存中的虛擬塊設備，所以其并沒有真實塊設備的特性。真實塊設備會將存儲空間劃分成一個個塊，而zram_bvec_write()函數的index參數就是數據塊的編號。此參數有 swap 機制提供，所以 zRAM 塊設備驅動通過 index 參數作為原始內存數據的編號。

一圖勝千言：

zRAM驅動有個數據塊表，用來記錄原始內存數據對應的壓縮數據，此表的索引就是數據塊的編號。swap 機制會維護此表格的使用情況，如哪個塊是空閑的，哪個塊被占用等。

當內存頁被壓縮后，swap 機制將會把原來的內存頁釋放掉，并且把所有映射到此內存頁的進程解除映射，細節可以參考 swap 機制相關的資料。

審核編輯：劉清