3、KSM合并流程详解：从页面扫描、内容比较、写保护到页面合并的完整生命周期

KSM（Kernel Same-page Merging）的合并流程并非一次性完成，而是由内核后台线程 ksmd 周期性驱动的多阶段流水线。理解这一生命周期是调优扫描效率与合并命中率的前提。整个流程可归纳为四个核心阶段：页面扫描、内容比较、写保护与页面合并。

3.1 整体生命周期总览

下图展示了 KSM 从候选页面选定到最终合并的完整状态机流转。每个矩形代表一个关键阶段，箭头表示数据流与状态迁移方向。

3.2 阶段一：页面扫描（Page Scanning）

ksmd 线程按照 pages_to_scan 参数设定的批次大小，从当前进程的 内存区域描述符（mm_struct） 中选取候选页面。扫描策略分为两种：

扫描阶段的关键数据结构是 稳定树（stable tree） 与 不稳定树（unstable tree）。稳定树保存已合并的页面内容（以页面内容的 hash 值为 key），不稳定树保存正在比较的候选页面。

3.3 阶段二：内容比较（Content Comparison）

对于每个扫描到的候选页面，KSM 执行两级比较：

1. 哈希预检： 计算候选页面的 32-bit 校验和（checksum），与上次扫描值对比。若未变化，则跳过后续比较（减少 CPU 开销）。
2. 全量 memcmp： 若校验和发生变化，则进入红黑树查找。先在稳定树中按内容 hash 查找完全匹配的页面；若未命中，则在不稳定树中查找。

比较过程涉及两次 memcmp 调用：

/* 内核源码示意：mm/ksm.c */
static int cmp_and_merge_page(struct page *page, struct rmap_item *rmap_item)
{
    /* 1. 计算校验和 */
    unsigned int checksum = calc_checksum(page);
    if (checksum == rmap_item->oldchecksum) {
        /* 页面内容未变，跳过 */
        return 0;
    }
    rmap_item->oldchecksum = checksum;

    /* 2. 在稳定树中查找 */
    struct page *kpage = stable_tree_search(page);
    if (kpage) {
        /* 命中稳定树，直接合并 */
        try_to_merge_with_ksm_page(rmap_item, page, kpage);
        return 1;
    }

    /* 3. 在不稳定树中查找 */
    kpage = unstable_tree_search_insert(rmap_item, page, &tree_rmap_item);
    if (kpage) {
        /* 命中不稳定树，尝试合并 */
        try_to_merge_two_pages(rmap_item, page, tree_rmap_item, kpage);
        return 1;
    }
    return 0;
}

3.4 阶段三：写保护（Write Protection）

当 KSM 判定两个页面内容完全一致后，并不会立即释放物理页。首先执行 写保护 操作：

• 将参与合并的所有进程的页表项中的 写权限位（RW） 清除，置为只读。
• 在页表项中设置 KSM 标记位（如 PTE_SPECIAL 或架构相关的软件位），标识该页已被 KSM 管理。
• 更新反向映射（reverse mapping）结构，记录所有映射此页面的 rmap_item。

写保护完成后，任何进程对该页面的写入都会触发 缺页异常（page fault），进入 COW 处理流程。

3.5 阶段四：页面合并（Page Merging）

写保护完成后，KSM 执行最终的物理页面合并：

1. 选定保留页： 选择其中一个物理页作为“合并页”（ksm page），通常为稳定树中已存在的页面。
2. 更新页表： 将所有参与进程的页表项指向该保留页的物理地址。
3. 释放冗余页： 调用 put_page() 递减其他冗余物理页的引用计数。当引用计数降为 0 时，内核回收该页。
4. 更新稳定树： 将合并后的页面插入稳定树，并记录所有映射它的 rmap_item。

3.6 合并后的生命周期管理

合并后的页面并非永久固定。以下事件会导致合并页分裂：

• 写时复制（COW）： 任何进程对合并页执行写入操作，内核立即分配新物理页，复制内容，并更新该进程的页表为可读写。
• 页面迁移（Page Migration）： 内存规整（compaction）或 NUMA 平衡可能移动合并页，KSM 需要更新稳定树中的指针。
• 进程退出： 当最后一个映射合并页的进程退出时，KSM 从稳定树中移除该页并释放物理内存。

3.7 完整流程时序图

以下时序图展示了 ksmd 线程在一次扫描周期内的完整操作序列：

3.8 关键数据结构关系

KSM 合并流程依赖三个核心数据结构协同工作：