大型復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)存熱插拔技術(shù)的實現(xiàn)

高云嶺++賀信++莊克良

摘 要針對目前Linux的內(nèi)核的熱插拔特性以及ACPI里關(guān)于內(nèi)存電源狀態(tài)表MPST的狀態(tài)定義，通過重新編譯Linux內(nèi)核，開發(fā)專有的內(nèi)存管理程序驅(qū)動和外部設(shè)置應(yīng)用程序，來完成在大型復(fù)雜服務(wù)器系統(tǒng)上在關(guān)機(jī)的情況下，實現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)熱插拔操作。同時，提供了在Linux平臺的測試程序，來驗證整個流程的可行性。

【關(guān)鍵詞】Linux內(nèi)核 熱插拔特性 內(nèi)存 內(nèi)存電源狀態(tài)表

動態(tài)熱插拔技術(shù)的提出，基本上是為了在相關(guān)部件出現(xiàn)故障時，保證用戶能夠在系統(tǒng)正常運行的同時，進(jìn)行在線維護(hù)。所謂熱插拔（hot-plugging或Hot Swap）功能就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的內(nèi)存、硬盤、電源或板卡等部件，從而極大地提高了系統(tǒng)對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力、擴(kuò)展性和靈活性等，使復(fù)雜大型服務(wù)器系統(tǒng)的容錯能力大大上升，為用戶提供了最大限度的可用性。

本文針對內(nèi)存熱插拔這一難題，實現(xiàn)了一種可操作性強(qiáng)、可行性的技術(shù)方案，并針對Linux操作系統(tǒng)之上進(jìn)行原型的開發(fā)和驗證。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

總體架構(gòu)設(shè)計有八部分組成，涉及從操作系統(tǒng)上層應(yīng)用程序，中間層驅(qū)動設(shè)置程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核，底層硬件驅(qū)動，硬件和BIOS等，具體如圖1所示。

1.1 Linux內(nèi)核修改

要實現(xiàn)內(nèi)存的熱插拔，首先需要操作系統(tǒng)的深度支持。其主要完成的功能是，錯誤檢測和頁表遷移。當(dāng)?shù)玫接脩粼O(shè)置指令或者根據(jù)自身RAS（Reliability Availability Serviceability）機(jī)制檢測到硬件錯誤的時候，操作系統(tǒng)要主動把支持熱插拔內(nèi)存上正在運行的頁表和數(shù)據(jù)項遷移交換到其他物理內(nèi)存條。頁表遷移主要任務(wù)包括在目的內(nèi)存分配新的頁表，修改內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹，移除老的頁表入口以及移動頁表內(nèi)容。

1.2 驅(qū)動設(shè)置程序

驅(qū)動設(shè)置程序主要負(fù)責(zé)外部應(yīng)用程序和Linux內(nèi)核進(jìn)行雙向通信，從而對硬件的設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置。驅(qū)動設(shè)置程序架設(shè)起了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)進(jìn)行雙向通信的安全橋梁。它的作用主要是，在內(nèi)核態(tài)通過調(diào)用ACPICA（ACPI Component Architecture）接口讀取MPST（Memory Power State Table）表項中的內(nèi)存節(jié)點，地址以及電源狀態(tài)列表，轉(zhuǎn)發(fā)給用戶態(tài)的應(yīng)用程序；同時，接收用戶對內(nèi)存遷移和插拔的輸入要求，命令操作系統(tǒng)內(nèi)核完成頁表遷移工作，然后進(jìn)行內(nèi)存電源狀態(tài)控制，使其安全掉電，為手動的內(nèi)存條熱插拔操作做好軟件和固件層面的準(zhǔn)備工作。

1.3 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序是用戶和計算機(jī)操作的用戶界面窗口。主要響應(yīng)用戶指令，顯示內(nèi)存電源狀態(tài)信息，執(zhí)行內(nèi)存電源狀態(tài)控制，以及提供內(nèi)存分配遷移的壓力測試程序。

2 模塊功能詳細(xì)設(shè)計

2.1 Linux內(nèi)核修改

Linux內(nèi)核主要是確保在操作系統(tǒng)中將內(nèi)存熱插拔特性打開，并確保ACPI表項定義include＼linux＼acpi中新加入的對MPST表的支持，為了明顯的看到整個內(nèi)存的遷移過程的變化，可以修改mm＼vmscan.c中的線程頁面守護(hù)神kswapd的源代碼。相關(guān)代碼路徑如下。

include＼linux＼acpi.h；mm＼vmscan.c；include＼acpi

Kswapd進(jìn)程會被操作系統(tǒng)內(nèi)核間歇性的喚醒，進(jìn)行兩部分工作。第一部分是在發(fā)現(xiàn)物理頁面已經(jīng)短缺的情況下，預(yù)先找出如果頁面，且將這些頁面的映射斷開，使這些物理頁面從活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)入不活躍狀態(tài)，為頁面的換出作好準(zhǔn)備。第二部分是每次都要執(zhí)行的，把已經(jīng)處于不活躍狀態(tài)的“”頁面寫入交換設(shè)備，使它們成為不活躍“干凈”頁面繼續(xù)緩沖，或進(jìn)一步回收這樣的頁面成為空閑頁面。所以，可以在Kswapd中插入代碼，實現(xiàn)在內(nèi)存熱插拔過程中，完成對內(nèi)存遷移狀態(tài)的檢測。當(dāng)內(nèi)存不足的時候，Kswapd會自動喚醒沉睡過程中的內(nèi)存，而在內(nèi)存過剩，或者需要內(nèi)存熱插拔的時候，完成頁表遷移整理工作。

在修改完Linux源代碼之后，就可以進(jìn)行內(nèi)核配置修改、操作系統(tǒng)新內(nèi)核的編譯和加載工作了。

2.2 驅(qū)動設(shè)置程序設(shè)計

該驅(qū)動設(shè)置模塊被設(shè)計成一個字符型驅(qū)動，用于內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的數(shù)據(jù)通信。其主要功能如下：

（1）通過調(diào)用ACPICA架構(gòu)提供的用戶接口，讀取內(nèi)存MPST內(nèi)容。

（2）提供可供用戶態(tài)應(yīng)用程序調(diào)用的，物理內(nèi)存條內(nèi)電源控制模式。

（3）讀取物理內(nèi)存條的狀態(tài)和屬性

（4）傳輸邏輯內(nèi)存的使用狀態(tài)到Kswapd線程，為其進(jìn)行內(nèi)存遷移提供依據(jù)。

2.3 Hot-Plug模塊

當(dāng)重新加載支持內(nèi)存熱插拔的Linux內(nèi)核后，可以在/sys/devices/system/memory下面看到按照內(nèi)存塊ID區(qū)分的內(nèi)存狀態(tài)信息。該系統(tǒng)有兩個內(nèi)存memory0和memory1。在每個內(nèi)存下面又包含著五個信息：phys_index、phys_device、state、removable、valid_zones。

phys_device是真正的物理內(nèi)存序號，想要執(zhí)行物理內(nèi)存的熱插拔，就是操作這個屬性字段。State是內(nèi)存電源狀態(tài)信息，操作系統(tǒng)層面只有兩種，在線和離線。而MPST中提供了物理內(nèi)存的多種狀態(tài)的控制。想要做物理內(nèi)存熱插拔，必須首先要設(shè)置該字段為offline。Removeable顯示該內(nèi)存是否可被移除的，只有是removable的物理內(nèi)存里面存放的頁表才可以被操作系統(tǒng)進(jìn)行頁表遷移。

在操作系統(tǒng)層面對內(nèi)存離線和在線的操作命令比較簡單，只需要對state進(jìn)行設(shè)置即可。

% echo offline > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state

該Linux的hot-plug模塊只有和MPST相配合才能區(qū)分清楚物理內(nèi)存和邏輯內(nèi)存塊以及頁表的關(guān)系，進(jìn)而做到真正的物理內(nèi)存的熱插拔操作。

2.4 應(yīng)用程序測試程序設(shè)計

應(yīng)用程序運行在Linux shell環(huán)境中，主要負(fù)責(zé)和用戶進(jìn)行交互。它一方面通過調(diào)用驅(qū)動配置程序拿到MPST表返回給用戶。用戶根據(jù)MPST的信息，區(qū)分清楚每個物理內(nèi)存的狀態(tài)，地址和狀態(tài)。并找到該物理內(nèi)存和Linux 系統(tǒng)中/sys/devices/system/memory/memoryXXX/的對應(yīng)關(guān)系。然后，通過 % echo offline/online > /sys/devices/system/memory/memoryXXX/state系統(tǒng)內(nèi)存的狀態(tài)控制，并通過配置驅(qū)動程序完成對真實物理內(nèi)存的狀態(tài)控制，最后來實現(xiàn)內(nèi)存的完全移除的目的。

測試程序可以通過在用戶空間不停的malloc（）大量的內(nèi)存來模擬急劇內(nèi)存占用和釋放的壓力測試。隨著內(nèi)存的占用到達(dá)一定閥值，越來越多的內(nèi)存會由經(jīng)過MPST的命令設(shè)置，變?yōu)樯想姞顟B(tài)。當(dāng)達(dá)到一定壓力，通過殺掉應(yīng)用程序看操作系統(tǒng)清理整理內(nèi)存的能力。而當(dāng)一個物理內(nèi)存中的所有邏輯內(nèi)存塊全部被移除后，測試程序會調(diào)用MPST將該物理內(nèi)存下電，在操作系統(tǒng)的資源管理器中，可以清楚地看到操作系統(tǒng)檢測到的物理內(nèi)存大小的急劇變化。

3 結(jié)束語與展望

本文主要實現(xiàn)了Linux平臺上對物理內(nèi)存熱插拔操作的程序設(shè)計和系統(tǒng)配置，綜合使用了ACPI MPST對物理內(nèi)存狀態(tài)的檢測設(shè)置和操作系統(tǒng)內(nèi)核自身的邏輯內(nèi)存塊的在線離線操作，來達(dá)到物理內(nèi)存和邏輯內(nèi)存狀態(tài)控制的統(tǒng)一，最后在具有可移除屬性的物理內(nèi)存上實現(xiàn)了內(nèi)存熱插拔操作。該技術(shù)目前還處于研究的初級階段，還有的工作，比如解決邏輯內(nèi)存塊在物理內(nèi)存中的空洞問題，以及部分映射內(nèi)核空間的物理內(nèi)存的不可移除的問題。內(nèi)存的熱插拔問題是一個涉及面非常廣泛的復(fù)雜性的綜合性的問題，該問題的初步解決對于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)備的開發(fā)、維護(hù)和調(diào)試，尤其是關(guān)鍵服務(wù)器的不間斷運行，具有非常現(xiàn)實的積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Robert Love.Linux kernel development.Novell Press，2005.

[2]Daniel P.Bovet，Marco Cesati. Understanding the Linux Kernel，3rd. Novell Press.OReilly，2007.

[3]Advanced Configuration and Power Interface Specification Version 6.0， Unified EFI，2008.

作者單位

海軍704廠 山東省青島市 266109