一、ZRAM的背景

我们知道在不论是windows还是linux都有一个交换文件，这个交换文件是放在磁盘上的，对于手机设备也是可以这样做的，但是在移动设备中没有像PC机那样的磁盘，而是使用的是flash，Flash的读写寿命远不如磁盘，所以如果使用交换文件，将大大缩短Flash的寿命。

为了不缩短Flash的寿命，程序员想了一个办法就是ZRAM，通过内存存放内存中的数据，只是将数据做了压缩，这样就可以用10M的内存存放20M的数据了，当然这只是一个比方，实际可能压缩的更小，这样同时也不会写入Flash进而影响Flash的寿命。

  二、ZRAM的启用

1. 内核编译打开

CONFIG_SWAP=y
CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR=y
CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR_SWAP=y
CONFIG_ZRAM=yCONFIG_ZSMALLOC=y

2. 启用ZRAM

swapoff /dev/block/zram0
echo 1 >/sys/block/zram0/reset
echo 536870912 >/sys/block/zram0/disksize  //配置ZRAM大小为512M
mkswap /dev/block/zram0
swapon  /dev/block/zram0

  三、ZRAM的实现

ZRAM的实现需要借助于SWAP以及BLOCK的实现，也就是相关的主要是下面的4层。Kswapd主要是找出anon页，将其交换到zram中，page_fault是在碰到缺页时，将其换出到zram的页换入内存中。

1. swap机制

开启ZRAM的必要条件是开启SWAP机制，swap是实现内存“扩大”的核心，对于clean 的filecache类型的数据即使丢弃之后可以通过重新读取获得，但是anon之类的脏数据在丢弃之后就会丢失数据，通过其他设备存放暂时不需要用到的内存的数据，使得内存看起来更大。

在linux下，可以简单的通过proc文件系统获得swap交换区的信息：

在android手机中只有一个swap分区也就是zram。在Swap机制中，最核心的数据结构如下图：

swap_info_struct表示一个交换区，在linux中有一个结构体的数组用于保存系统中所有的交换分区。

struct swap_info_struct* swap_info[MAX_SWAPFILES];

这里我们主要简单介绍一下swap机制启动的过程

Swap机制启动，从代码上看就是个简单的对struct address_space swapper_spaces[MAX_SWAPFILES]这个数据结构数组的初始化，这个启动流程在kswapd_init(void)流程中调用，也就是随着kswapd的启动做了初始化。

swap交换分区的创建，读写流程通过下面的ZRAM的创建以及读写做详细的说明与解释。

2. 启用流程

我们看到在zram启用的过程中有三个命令，mkswap、swapon、swapoff。分别对应的是zram的创建，开启以及关闭。

这三个命令都是一个应用程序，我们先看mkswap。

从代码中很容易知道，mkswap仅仅是往/dev/block/zram0的前4K写一点配置信息，这也是为什么我们看到在手机刚启动的时候，zram的物理大小是4K。

swapon/swapoff这两个应用程序，仅仅是调用了swapon/swapoff的系统调用，这里就不看应用程序的代码了。

Swapon的系统调用的实现在swapfile.c中，函数中重要的代码如下：

p = alloc_swap_info();//分配一个可用的swap_info的结构体swap_file = file_open_name(name, O_RDWR|O_LARGEFILE, 0);//打开zram文件p->swap_file = swap_file; //swap_info与zram做关联mapping = swap_file->f_mapping;page = read_mapping_page(mapping, 0, swap_file);swap_header = kmap(page);maxpages = read_swap_header(p, swap_header, inode);//读出zram的文件头部的4K//设置swap cgroup的信息，以及处理是否启用frontswapenable_swap_info(p, prio, swap_map, cluster_info, frontswap_map);//启用swap_info，表明这个交换分区可以开始使用了

同样，swapoff系统调用也是在swapfile.c中，这里不再赘述，他的主要功能就是将在zram中的数据换出，将swap cgroup关闭，并释放swap_info结构体。

综上所述，启用流程中最重要的就是，将swap_info与zram做关联，这样就可以将swap的读写，转化为zram的压缩解压流程。

3. 压缩流程

向zram中压缩数据是kswapd这个内核线程，在做shrink的时候触发的，对于file类型的内存页，系统可以直接丢弃，在需要的时候可以在从文件中加载上来，对于匿名页anon，就需要写到zram中，上图中也是比较清楚了。

4. 解压流程

当碰到需要用交换到ZRAM中的数据的时候，就会触发下面的流程：

首先，我们看第一个过程，handle_mm_fault函数，这个函数是缺页中断触发的。这个函数最终调用了handle_pte_fault函数处理缺页的情况，关键代码如下：

在使用内存的时候首先是判断是否存在页表项，也就是是否在内存中，如果存在说明命中，直接使用这个内存页就好了，中间还有NUMA结构的处理这里忽略。

如果不命中，还需要看这个也是不是被访问过，如果没有访问过就需要通过判断是不是映射页，从而分配相应的内存。如果是访问过的，但是没在内存中，说明这个页被交换出去了，需要从swap中读取该页。

swapin_readahead函数在swap_state.c文件中，这个函数表示正式的转入swap模块中。

bddev_read_page函数是block层的函数，这个函数主要是根据入参做一个转发功能，代码如下：

这里的入参block_device就是zram对应的设备所以这里就调用了zram_rw_page函数，参数是READ，就可以知道是读数据了。

下面的流程与write流程一样，所以直接看zram_bvec_read函数。

5. 压缩算法

ZRAM压缩算法很多，常用的是LZO和LZ4，下面简单的说明一下LZ4的算法。

LZ4是一个非常快的无损压缩算法，压缩速度在单核300MB/S，可扩展支持多核CPU。它还具有一个非常快速的解码器，速度单核可达到和超越1GB/s。

6. Zsmalloc

说Zram就不得不说zsmalooc机制，zram的最初的目的就是节省内存，但是在内核中slab机制，不一定能正好使用一个内存页，这样使用zram功能很容易造成页内的碎片。具体的zsmalloc的原理参见https://yq.aliyun.com/articles/4131。

  四、ZRAM的影响

ZRAM打开后由于anon page会压缩和解压，必然会带来功耗上的影响，但是只要压缩解压不会颠簸就不会有太大的问题（一般在内存较低的时候会造成一定的影响）。