内存气球（balloon）

• 内存超分

内存超分，是指分配给虚拟机的内存总和大于实际可用的物理内存总数。这样做的前提是，虚拟机操作系统里的内存不可能一直处于用满的状态。

但是，超分又不能过大，最好不要超过物理内存和 swap 的总和。否则，当所有客户机都处于较高内存使用率的情况下，会出现虚拟机因内存不足而被关机的情况。

内存超分的实现方式：内存交换（swapping）、气球（ballooning）、页共享（page sharing）。

1. 内存交换（swapping）

使用交换空间来弥补内存不足，给虚拟机分配内存的时候，将物理机 swap 空间分配给虚拟机使用，这种方式性能要低一些。

1. 页共享（page sharing）

通过 KSM（Kernel SamePage Merging）合并多个虚拟机进程使用的相同内存页，KSM 技术可以让内核在多个进程间共享完全相同的页。

KSM 让内核扫描正在运行的程序并比较它们的内存，如果发现内存页是完全相同的，就将它们合并成一个内存页，并标识 “写时复制”。如果有进程尝试去修改标识为 “写时复制” 的合并内存页，就为该进程复制出一个新的内存页来给其使用。

事实上，虚拟机运行相同的操作系统或者应用程序时，会存在大量完全相同的内存页。

1. 气球（ballooning）

HostOS 内存不足了就会找 GuestOS 要内存来使用，通常情况下虚拟机需要先关机，调整内存配置之后再开机。

Ballooning 技术可以不对虚拟机关机就实现内存的调整，通过 ballooning 技术虚拟机释放空闲内存到虚拟机内的 “气球” 中，“气球” 中的内存可以供 Host 使用。

ballooning 是一种让内存超分的有效机制。例如：在一个为 8GB 的 Host 上，有 6 个内存为 2GB 的虚拟机（A、B、C、D、E、F），当在一段时间内 A，B，C 的负载很轻，就通过 ballooning 将其内存降到 512 M，这样 512M * 3 + 2G * 3 < 8G 。看起来 8G 内存，每个客户机分不到 2G 内存，实际上每个客户机可以使用到 2G 内存。

• 内存气球

当同一个物理机上的多个虚拟机之间出现内存竞争时，Hypervisor 将轮询物理主机上所有的虚拟机，通过内存气球驱动（virio_balloon）自动回收虚拟机中的空闲内存。内存气球驱动回收机制能够最大限度的提高内存资源的利用率。

内存气球位于虚拟机中，内存气球 “膨胀” 则是虚拟机将内存释放给宿主机，内存气球 “压缩” 则是宿主机将内存还给虚拟机。

1. 当宿主机内存不足时

系统可以请求虚拟机回收已分配给它的部分内存，虚拟机会释放其空闲的内存。

假如客户机也内存不足，可能会导致其回收部分使用中的内存，这部分被回收的内存可能会被换出到客户机的交换分区 swap 中。

1. 当客户机内存不足时

可以让宿主机的内存气球压缩，释放出内存气球中的部分内存让客户机使用。

Ballooning 价值：

1. 内存调整无需重启虚拟机，内存的 ballooning（气球）技术可以在虚拟机运行时动态地调整它所占用的宿主机内存资源。
2. 提升系统对内存的整体使用率，动态调整对内存的使用，可以避免有的地方需要内存的时候已经内存不足，实际很多已经分配出去给客户机使用的内存，客户机并未正在使用。
3. 为内存超分提供了可行基础，内存超分的前提就是已分配给虚拟机的内存并没有被全部真正使用。

Ballooning 优点：

1. 通过 ballooning 可以节约大量内存，因为可以控制和监控 ballooning 。虚拟机内存是通过 Balloon 命令调整的，所以可以监控系统内存并验证 ballooning 引起的变化。
2. 通过 ballooning 可以精细的请求少量内存，也可以粗矿的请求大量内存。

Ballooning 缺点：

1. 需要虚拟机操作系统加载 virtual_balloon 驱动，并非每个虚拟机都有该驱动，比如 Windows 就需要自己安装该驱动。
2. 虚拟机内存被回收之后会影响虚拟机运行性能。
   1. 虚拟机中服务原来缓存到内存中的数据，因为内存不足而无法缓存，只能到存储中去读取，这样导致 IO 访问增加。
   2. 虚拟机中服务因为内存不足而异常。
3. 缺乏自动化管理 ballooning 的机制，一般都是采用在 QEMU monitor 中执行 Balloon 命令来实现 ballooning 。
4. 内存的动态增加或减少，会导致内存过度碎片化，从而降低内存使用的性能。
5. 内存变化会影响虚拟机内核对内存使用的优化。比如：内核起初根据目前状态对内存的分配采取了某个策略，而突然由于 balloon 的效果让可用内存减少了很多，这时起初的内存策略可能就不是太优化的了。

KVM Ballooning 原理

1. KVM Hypervisor 发送请求到虚拟机操作系统，命令虚拟机归还一定数量的内存给 Hypervisor。
2. 客户机 OS 中的 virtio_balloon 驱动接收 Hypervisor 的请求，驱动后续动作的执行。
3. virtio_balloon 使客户机的内存气球膨胀，气球中的内存不能被虚拟机访问，倒逼虚拟机进行内存回收。
   1. 如果虚拟机剩余可用内存不多，无法放内存气球膨胀到 Hypervisor 指定的大小，则气球膨胀只能尽力而为。
   2. 尽力而为的方式之一就是在可以的条件下，将内存置换到 swap 中。
4. 客户机操作系统归还气球中的内存给 Hypervisor。
5. Hypervisor 可以将从气球中得到的内存分配到任何需要的地方。

总结： 内存气球是一种内存超分技术，通过虚拟机中的 virtio_balloon 驱动调节虚拟机的可用内存，实现云计算平台中对虚拟机可用内存的动态分配控制。

内存气球膨胀，虚拟机可用内存减少，宿主机可用内存增加。

内存气球压缩，虚拟机可用内存增加，宿主机可用内存减少。