2. KSM 内核架构：模块位置、关键数据结构与扫描线程模型

KSM（Kernel Same-page Merging）是 Linux 内核中一项基于内存去重（Deduplication）的虚拟化优化技术。理解 KSM 在内核中的模块位置、核心数据结构以及扫描线程模型，是进行后续合并配置与效率调优的理论基础。本章将从内核源码视角，拆解 KSM 的静态结构与动态行为。

2.1 KSM 在内核中的模块位置

KSM 并非独立的内核模块，而是深度嵌入内存管理子系统（mm/）中的核心功能。其源码路径与依赖关系如下表所示：

2.2 关键数据结构

KSM 使用三棵红黑树（Red-Black Tree）和一个链表来管理扫描状态与合并结果。理解这些数据结构是掌握 KSM 内存布局的关键。

2.2.1 ksm_mm_slot —— 进程扫描上下文

每个注册了 KSM 的进程（通过 madvise(MADV_MERGEABLE)）对应一个 ksm_mm_slot 实例。它记录了该进程的扫描进度和候选页面链表。

// 位于 include/linux/ksm.h
struct ksm_mm_slot {
    struct mm_struct *mm;           // 指向进程的内存描述符
    struct ksm_scan scan;           // 当前扫描位置（地址、索引）
    struct list_head mm_list;       // 链接到全局 ksm_mm_head 链表
    struct list_head rmap_list;     // 该进程下所有可合并页面的链表
};

2.2.2 stable_tree —— 稳定合并树

stable_tree 是一棵全局红黑树，以合并后页面的物理页帧号（PFN）为键值。所有已经被 KSM 合并的页面（即 PageKsm 页面）都挂在这棵树上。当扫描到新页面时，KSM 首先在 stable_tree 中查找内容完全相同的页面。

• 键值： 合并页面的 page->index（实际存储的是 PFN 的哈希值）。
• 节点： struct stable_node，包含指向合并页面的指针、引用计数、以及反向映射链表。
• 作用： 加速查找，避免对已合并页面重复比较。

2.2.3 unstable_tree —— 不稳定候选树

unstable_tree 也是一棵全局红黑树，但存储的是尚未被合并、但内容可能重复的候选页面。KSM 在扫描过程中，将新页面与 unstable_tree 中的页面进行内容比较（使用 memcmp）。

• 生命周期： 节点在每次扫描周期结束时被清空，因为页面内容可能已变化。
• 节点： struct unstable_node，包含页面指针和校验和（Checksum）。
• 性能影响： unstable_tree 的大小直接影响每次扫描的 CPU 开销。

2.2.4 数据结构关系总览

2.3 扫描线程模型

KSM 的扫描工作由内核线程 ksmd 驱动。该线程在 mm/ksm.c 中通过 kthread_run() 创建，优先级为 SCHED_NORMAL，但可通过 ksm_scan_thread 函数调整其调度策略。

2.3.1 扫描流程（逐周期）

1. 遍历 ksm_mm_head 链表： 获取下一个待扫描的 ksm_mm_slot。
2. 获取候选页面： 从进程的 rmap_list 中取出一个页面，通过 get_user_pages() 锁定。
3. 计算校验和： 对页面内容计算 32 位 CRC 校验和，用于快速过滤。
4. 查找 stable_tree： 如果校验和匹配，则尝试在稳定树中查找完全相同的页面。
5. 查找 unstable_tree： 如果稳定树未命中，则在不稳定树中查找；若找到，则执行合并。
6. 更新树结构： 合并成功后，将页面移入 stable_tree；否则插入 unstable_tree。
7. 睡眠等待： 完成 pages_to_scan 个页面的扫描后，线程进入可中断睡眠，等待下次唤醒。

2.3.2 扫描参数与线程行为

2.3.3 线程状态转换

2.4 扫描效率的关键约束

从架构角度看，KSM 的扫描效率受以下三个内核级因素制约：

• 红黑树查找开销： stable_tree 和 unstable_tree 的查找时间复杂度为 O(log N)，其中 N 为树中节点数。当合并页面数超过 10 万时，查找延迟会显著增加。
• 页面锁定与校验和计算： 每次扫描都需要通过 get_user_pages() 锁定页面，并对 4KB 内容计算 CRC。这是 CPU 密集操作。
• 反向映射更新： 合并或回退时，需要遍历所有映射了该页面的 VMA，更新页表项。VMA 数量越多，延迟越高。