云与虚拟化云计算模式( 三 ) 简介：内存虚拟化相比裸机

DirectSegment：两层页表方案，这是学术界基于新硬件的方案。GVA到GPA的映射管理与EPT相同，同样采用多级页表。但GPA到HPA的映射采用分段机制， GPA转换为HPA时只需要通过硬件加上一个偏移即可。

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GPA虽然不等于HPA ，但二者的映射关系十分简单，只需要DirectSegment硬件添加一个偏移，整个转换路径与物理机的路径相比差别很小，仅多了几次硬件偏移。虚拟机使用4级页表时，转换路径如下图所示，其中DS表示GPA到HPA转换的硬件支持。

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优势：地址转换关系的建立开销低，同时转换过程的开销也很低。
劣势：
1）需要硬件支持GPA到HPA分段映射，现有的硬件不具备这样的功能；
2）需要分配大段连续的内存，即主机不能有太多内存碎片。
FlatEPT：两层页表方案，这也是学术界提出的基于新硬件的方案。整体与EPT非常相似，唯一的区别在于EPT管理GPA到HPA的使用多级页表，一般是4级，每级512项；而FlatEPT使用仅有一级的扁平页表，表项远不止512 。

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与EPT相同，虚拟机内各级页表的内容也是GPA ，查询下一级时需要先经过扁平扩展页表（nL4）转换为HPA 。由于扁平扩展页表只有一级，转换路径相比EPT缩短了非常多。在虚拟机内使用4级页表时，转换路径如下图所示，最坏只需9（4+1+4*1）次查表。

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优势：地址转换关系的建立开销低，同时转换过程的开销也较低。相比于DirectSegment对内存分配要求很低，只需要少量连续内存用作扁平扩展页表即可（8G规格虚拟机只需要16M）。
劣势：需要硬件支持扁平扩展页表，当前的硬件只支持表项为512的多级扩展页表。
MixSPTandEPT：混合方案，这是学术界较早提出的方案，简单而言就是动态的分时切换SPT与EPT 。在虚拟机运行时监控和采集TLBmiss与PageFault的数据，在二者达到设定的阈值时进行SPT与EPT之间的切换，如下图所示：TLBmiss率高于阈值T1 ， PageFault频率低于阈值T2时，从EPT切换到SPTTLBmiss率低于阈值T1 ， PageFault频率高于阈值T2时，从SPT切换到EPT

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优势：有机会充分利用SPT与EPT的优势，达到更好的性能。
劣势：
1）页表切换阈值的设定很困难，硬件配置都可能影响阈值；
2）SPT与EPT的切换也是有代价的，主要是SPT的销毁与重建。总结
一层页表显著的优势是地址转换过程开销低，与物理机相同，需要解决的问题是减少地址转换建立的开销。一个可能的方向是放弃一些安全性，让页表的修改更轻量；另一个更实际的方向是在合适的场景使用，即针对页表修改不频繁的负载使用。
两层页表的优势是地址转换建立的开销小，虚拟机可以独立修改页表，需要考虑的问题是缩短转换路径。这个方向其实可行性很高，但是依赖新硬件的支持，短期不太可能出现符合要求的新硬件。
混合页表的设计初衷是希望充分利用两类页表的优势，但是做好动态的模式切换是非常困难的，负载的差异甚至硬件的差异都可能影响切换的效果。或许针对已知负载做定向的调优是一个可行的方向。