3. KSM 内核架构：位置、数据结构与初始化流程

KSM（Kernel Same-page Merging）是 Linux 内核中一个轻量级的内存去重子系统，位于 mm/ksm.c 源文件中。它通过后台内核线程扫描用户态进程的匿名内存页，识别并合并内容完全相同的物理页面，从而减少物理内存占用。理解 KSM 在内核中的位置、核心数据结构以及模块初始化流程，是掌握其工程落地原理的基础。

3.1 KSM 在内核中的位置

KSM 属于内存管理子系统（mm）的一部分，与页面回收（page reclaim）、透明大页（THP）、内存规整（compaction）等机制协同工作。其调用关系与依赖层次如下表所示：

3.2 关键数据结构

KSM 使用两棵红黑树（stable tree 和 unstable tree）来组织已合并和待扫描的页面。核心数据结构包括 ksm_mm_slot 和 ksm_stable_node，它们分别管理进程粒度和页面粒度的去重状态。

3.2.1 ksm_mm_slot：进程级管理结构

每个调用 madvise(MADV_MERGEABLE) 的进程（mm_struct）都会对应一个 ksm_mm_slot。它负责维护该进程内所有可合并虚拟内存区域（VMA）的扫描状态。

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;       /* 全局 ksm_mm_head 链表节点 */
    struct rcu_head rcu;            /* RCU 回调，用于安全释放 */
};

3.2.2 ksm_stable_node：页面级稳定节点

当两个页面内容完全一致且被合并后，KSM 会在 stable tree 中插入一个 ksm_stable_node。该节点代表一个“稳定的”合并页面，所有映射到该物理页面的虚拟页都通过此节点管理。

struct ksm_stable_node {
    struct rb_node node;            /* 红黑树节点，按页面内容哈希值排序 */
    struct page *page;              /* 指向合并后的物理页面（写保护） */
    struct list_head list;          /* 链接到该页面所有 rmap_item 的链表 */
    unsigned long kpfn;             /* 页面帧号，用于快速查找 */
    unsigned int ksm_flags;         /* 状态标志（如合并中、回退中） */
};

3.3 模块初始化流程

KSM 模块的初始化分为两个阶段：编译时静态初始化 和 运行时动态初始化。以下流程基于 Linux 5.10 内核源码分析。

1. ksm_init() 入口：在 mm/ksm.c 中通过 module_init(ksm_init) 注册。该函数在系统启动或模块加载时调用。
2. 创建 ksmd 内核线程：调用 kthread_run(ksm_scan_thread, NULL, "ksmd") 创建后台扫描线程。该线程负责周期性扫描可合并页面。
3. 初始化全局链表与锁：初始化 ksm_mm_head 链表（用于管理所有 ksm_mm_slot）以及 ksm_thread_mutex 互斥锁。
4. 注册 sysfs 接口：通过 kernel_subsys 创建 /sys/kernel/mm/ksm/ 目录，暴露 run、sleep_millisecs、pages_to_scan 等控制参数。
5. 设置默认参数：ksm_run 默认设为 KSM_RUN_STOP（0），等待用户态写入 1 启动合并；ksm_sleep_millisecs 默认 20 毫秒。

static int __init ksm_init(void)
{
    struct task_struct *thread;
    int err;

    /* 1. 初始化全局链表与锁 */
    INIT_LIST_HEAD(&ksm_mm_head);
    spin_lock_init(&ksm_mmlist_lock);
    mutex_init(&ksm_thread_mutex);

    /* 2. 创建 ksmd 内核线程 */
    thread = kthread_run(ksm_scan_thread, NULL, "ksmd");
    if (IS_ERR(thread)) {
        pr_err("ksm: creating kthread failed\n");
        return PTR_ERR(thread);
    }
    ksmd_thread = thread;

    /* 3. 注册 sysfs 接口 */
    err = ksm_sysfs_init();
    if (err) {
        kthread_stop(thread);
        return err;
    }

    /* 4. 设置默认运行状态为停止 */
    ksm_run = KSM_RUN_STOP;
    pr_info("KSM initialized\n");
    return 0;
}

3.4 初始化后的状态与用户接口

初始化完成后，KSM 处于“待命”状态。用户可以通过 sysfs 接口控制其行为。下表列出了最关键的三个控制参数：