CN110569105B - 分布式虚拟机自适应内存一致性协议及其设计方法、终端 - Google Patents
分布式虚拟机自适应内存一致性协议及其设计方法、终端 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,包括:同步操作的拦截:针对不同的应用,客户机vCPU在顺序一致性模式和TSO模式中灵活切换;同步协议的状态说明:在原有的内存一致性协议基础上,添加Dirty及对应的原子操作状态,并实现状态转移。同时提供了一种基于上述设计方法得到的分布式虚拟机自适应内存一致性协议以及用于执行上述设计方法的终端。本发明在分布式虚拟机的基础上,使得分布式共享内存获得更好的性能。本发明使分布式虚拟机的内存同步协议在顺序一致性和x86‑TSO中灵活切换;针对不同的应用场景和限制,自适应一致性协议将原顺序一致性放松到x86‑TSO,使分布式共享内存性能提高。
Description
技术领域
本发明涉及计算机虚拟化和分布式系统架构技术领域,具体地,为一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议及其设计方法、终端。
背景技术
分布式虚拟机是通过抽象多台机器上的硬件资源,为单台乃至多台虚拟机提供海量的计算和I/O资源,从而满足有极高资源和性能需求的应用场景。分布式虚拟机在QEMU-KVM的基础上,添加了若干功能模块,包括IPI转发、中断转发、I/O转发、时钟同步和分布式共享内存模块,同时机器之间通过RDMA网络连接。
当前的分布式虚拟机中,分布式共享内存的协议为顺序一致性(SequentialConsistency)协议。这种协议要求任何读入操作都能看到某个数据最后一次写入的值,属于较强的一致性协议。但是,这种内存协议在保证了较强一致性的同时,却牺牲了不少的性能。Intel和AMD的x86架构没有使用这种顺序一致性,而是使用了x86-TSO作为内存的一致性协议。x86-TSO允许写操作缓存在store buffer中被延迟执行,从而提高了后续读操作的性能。但是,这种内存一致性协议,无法保证分布式虚拟机的内存同步协议在顺序一致性和x86-TSO中灵活切换,使分布式共享内存的性能大大降低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足,本发明提供了一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议及其设计方法、终端。在分布式虚拟机的基础上,设计了一种新的内存一致性协议,即自适应一致性协议,使得分布式共享内存获得更好的性能。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的第一个方面,提供了一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,包括:
-同步操作的拦截:针对不同的应用,客户机vCPU在顺序一致性模式和TSO模式中灵活切换;
-同步协议的状态说明:在原有的内存一致性协议基础上,添加Dirty及对应的原子操作状态,并实现状态转移。
优选地,所述同步操作的拦截,包括:
将vCPU划分为两种工作模式,即顺序一致性模式和TSO模式,使得客户机能够通过hypercall在两种模式间切换:
-若客户机支持半虚拟化,则使vCPU在用户态时工作在顺序一致性模式下,在内核态时工作在TSO模式下;
-若客户机不支持半虚拟化,则vCPU只运行在顺序一致性模式下;
改写内核中的同步操作,即内存屏障和原子指令为hypercall,主动通知KVM来进行分布式共享内存的处理;
对于不能半虚拟化的用户态程序,在其对内存页进行写入时KVM将会Invalidate其他节点上的副本,让程序独占该内存页。
优选地,所述同步协议的状态说明,包括:
设自适应协议的状态包括:
Invalid(无效页),
Shared(共享页),
Dirty(脏页),
Modified(已修改页),
Invalid*(原子操作模式的无效页),
Shared*(原子操作模式的共享页),
Dirty*(原子操作模式的脏页),
对自适应一致性协议进行状态转移:
-当节点上任意一个vCPU最先从顺序一致性模式切换到TSO模式时,将节点上尚未同步的修改广播给其他节点,同时使处在Dirty或Dirty*状态的页分别转移到Shared和shared*状态;
-若当前节点存在顺序一致性模式的vCPU:写入Shared或shared*状态的页时,页状态转移到Modified状态;写入Invalid或Invalid*状态的页时,转移到Modified状态;
-若当前节点不存在顺序一致性模式的vCPU:写入Shared或Shared*状态的页时,页状态分别转移到Dirty和Dirty*状态;写入Invalid或Invalid*状态的页时,分别转移到Dirty和Dirty*状态;
-当读取Invalid或Invalid*页时,首先从页Owner处获得一份拷贝,随后分别转移到Shared和Shared*状态。
根据本发明的第二个方面,提供了一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议,所述协议通过上述任一项所述的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法设计得到。
根据本发明的第三个方面,一种终端,包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时能够用于执行上述任一项所述的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,设计了一种自适应内存一致性协议,可以使分布式虚拟机的内存同步协议在顺序一致性和x86-TSO中灵活切换。针对不同的应用场景和应用限制,自适应一致性协议可以适当地将原先的顺序一致性放松到x86-TSO,使分布式共享内存的性能大大提高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明中同步操作的拦截示意图;
图2为本发明中自适应一致性协议状态转移示意图;
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,使得分布式虚拟机中的分布式共享内存获得更好的性能。
-同步操作的拦截:针对不同的应用,客户机vCPU可在顺序一致性模式和TSO模式中灵活切换。
-同步协议的状态说明:在原有的内存一致性协议基础上,添加Dirty(脏页)及对应的原子操作状态,并实现状态转移。
将vCPU分为两种工作模式,即顺序一致性(SC)模式和TSO模式,使得客户机可以通过hypercall在两种模式间切换。若客户机支持半虚拟化,则使vCPU在内核态时工作在TSO模式下,否则运行在顺序一致性模式下。同时改写内核中的同步操作,即内存屏障和原子指令为hypercall,主动通知KVM来进行分布式共享内存的处理。
自适应一致性协议的状态包含Invalid、Shared、Modified和Dirty。另外,为了支持原子指令,另外增加3种状态Invalid*、Shared*、Dirty*。若当前节点存在顺序一致性模式的vCPU,则写入Shared或Shared*状态,和Invalid或Invalid*状态的页时,页状态转移到Modified状态;若当前节点不存在顺序一致性模式的vCPU,则写入Shared或Shared*状态,和Invalid或Invalid*状态的页时,页状态分别转移到Dirty和Dirty*状态;当读Invalid或Invalid*页时,首先从页Owner处获得一份拷贝,随后分别转移到Shared和Shared*状态。
以下将结合附图对本发明的实施例做详细说明。本实施例在本发明技术方案和架构的前提下进行实施,并给出详细实施方式和具体操作过程,但是适用平台不限于下述实例。具体部署实例是由三台普通服务器组成的集群,每台服务器配有支持InfiniBand的网卡。服务器通过光纤连接到中心InfiniBand交换机上。本发明不受服务器种类和数目的限制,可以扩展到三台以上的异构服务器组成集群。
每台服务器装有Ubuntu Server 16.04.5LTS 64bit,并且配备两路CPU共计56核和128GB内存。本发明的具体开发是基于QEMU 2.8.1.1和Linux内核4.9.76的源码版本作为说明,对于其它QEMU和Linux其它版本内核也同样适用。在QEMU-KVM上可以运行一个稍加修改的操作系统,即Ubuntu Server 16.04.5TS 64bit。在客户端操作系统上可以运行IDE设备,SCSI设备,网络设备,GPU设备,FPGA设备等。
在客户机运行不同的应用时,客户机vCPU可以在顺序一致性模式和TSO模式中灵活切换,不同一致性协议的读写操作会被分布式共享内存处理,在保证一致性的同时达到更高的性能。每台机器上使用设备直通对客户机进行I/O访问的设备,如GPU等,会通过客户机中的gMMU进行访问,从而可被分布式共享内存所管理。
具体地:
一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,包含同步操作的拦截和同步协议的状态说明。
同步操作的拦截方法如下:
将vCPU分为两种工作模式,即顺序一致性(SC)模式和TSO模式,使得客户机可以通过hypercall在两种模式间切换;
若客户机支持半虚拟化,则使vCPU在用户态时工作在顺序一致性模式下,在内核态时工作在TSO模式下;
若客户机不支持半虚拟化,则vCPU只运行在顺序一致性模式下;
如图1,改写内核中的同步操作,即内存屏障和原子指令为hypercall,主动通知KVM来进行分布式共享内存的处理;
对于不能半虚拟化的用户态程序,在其对内存页进行写入时KVM将会Invalidate其他节点上的副本,让程序独占该内存页。
同步协议的说明如下:
如图2,自适应协议的状态包含Invalid、Shared、Dirty和Modified;另外,为了支持原子指令,增加3种状态Invalid*、Shared*、Dirty*;
当节点上某vCPU最先从顺序一致性模式切换到TSO模式时,将节点上尚未同步的修改广播给其他节点,同时使处在Dirty或Dirty*状态的页分别转移到Shared和Shared*状态;
若当前节点存在顺序一致性模式的vCPU:写入Shared或Shared*状态的页时,页状态转移到Modified状态;写入Invalid或Invalid*状态的页时,同样也转移到Modified状态;
若当前节点不存在顺序一致性模式的vCPU:写入Shared或Shared*状态的页时,页状态分别转移到Dirty和Dirty*状态;写入Invalid或Invalid*状态的页时,同样也分别转移到Dirty和Dirty*状态;
当读取Invalid或Invalid*页时,首先从页Owner处获得一份拷贝,随后分别转移到Shared和Shared*状态。
本发明上述实施例提供的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,在分布式虚拟机的基础上,设计一种新的内存一致性协议------自适应一致性协议,使得分布式共享内存获得更好的性能。
进一步地,对于客户机同步操作的拦截如图1所示,将客户机程序、内核中的同步操作如mfence等改写为超调用hypercall,交给KVM(Kernel Virtual Machine)进行处理。自适应一致性协议的状态在原先的基础上增加了Dirty(脏页)状态及对应的原子操作状态(*),添加了顺序一致性(SC)模式和x86-TSO(TSO)模式的页状态,它们的状态转移如图2所示。
基于本发明上述实施例所提供的设计方法,本发明实施例同时提供了一种提分布式虚拟机自适应内存一致性协议,所述协议通过上述任一项所述的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法设计得到。
基于本发明上述实施例所提供的设计方法,本发明实施例同时提供了一种终端,包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时能够用于执行上述任一项所述的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法。
本发明提供了一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议及其设计方法、终端,在分布式虚拟机的基础上,设计一种自适应一致性协议,使得分布式共享内存获得更好的性能。本发明使分布式虚拟机的内存同步协议在顺序一致性和x86-TSO中灵活切换;针对不同的应用场景和限制,自适应一致性协议将原顺序一致性放松到x86-TSO,使分布式共享内存性能提高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法,其特征在于,包括:
同步操作的拦截:针对不同的应用,客户机vCPU在顺序一致性模式和TSO模式中灵活切换;
同步协议的状态说明:在原有的内存一致性协议基础上,添加Dirty及对应的原子操作状态,并实现状态转移;
其中:
所述同步操作的拦截,包括:
将vCPU划分为两种工作模式,即顺序一致性模式和TSO模式,使得客户机能够通过hypercall在两种模式间切换:
若客户机支持半虚拟化,则使vCPU在用户态时工作在顺序一致性模式下,在内核态时工作在TSO模式下;
若客户机不支持半虚拟化,则vCPU只运行在顺序一致性模式下;
改写内核中的同步操作,即内存屏障和原子指令为hypercall,主动通知KVM来进行分布式共享内存的处理;
对于不能半虚拟化的用户态程序,在其对内存页进行写入时KVM将会无效其他节点上的副本,让程序独占该内存页;
所述同步协议的状态说明,包括:
设自适应协议的状态包括:
Invalid,表示无效页;
Shared,表示共享页;
Dirty,表示脏页;
Modified,表示已修改页;
Invalid*,表示原子操作模式的无效页;
Shared*,表示原子操作模式的共享页;
Dirty*,表示原子操作模式的脏页;
对自适应一致性协议进行状态转移:
当节点上任意一个vCPU最先从顺序一致性模式切换到TSO模式时,将节点上尚未同步的修改广播给其他节点,同时使处在Dirty或Dirty*状态的页分别转移到Shared和shared*状态;
若当前节点存在顺序一致性模式的vCPU:写入Shared或shared*状态的页时,页状态转移到Modified状态;写入Invalid或Invalid*状态的页时,转移到Modified状态;
若当前节点不存在顺序一致性模式的vCPU:写入Shared或Shared*状态的页时,页状态分别转移到Dirty和Dirty*状态;写入Invalid或Invalid*状态的页时,分别转移到Dirty和Dirty*状态;
当读取Invalid或Invalid*页时,首先从页Owner处获得一份拷贝,随后分别转移到Shared和Shared*状态。
2.一种分布式虚拟机自适应内存一致性协议,其特征在于,通过权利要求1所述的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法设计得到。
3.一种终端,包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时能够用于执行权利要求1所述的分布式虚拟机自适应内存一致性协议的设计方法。
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