虚拟化是一种将计算机系统物理计算资源进行抽象和隔离的技术，是现代云计算的基石。在虚拟化场景中，虚拟机的系统性能在很大程度上依赖于内存访问效率。内存大页通过将页大小从4KB扩展至2MB乃至1GB，可显著降低内存转译表TLB的缺失率与页表遍历开销，对依赖两级地址翻译（客户机虚拟地址（GVA）→客户机物理地址（GPA）→宿主机物理地址（HPA））的虚拟机性能尤为关键。然而，大页能否发挥作用，高度依赖物理内存的连续性，而内存碎片化（会持续破坏内存的连续性。现有的客户机侧内存碎片整理方案直接沿用宿主机的设计思路，假设客户机物理地址（GPA）空间是固定且有限的，因而不得不依靠代价高昂的内存紧缩（Memory Compaction）来整理出连续区域。该过程会带来显著的性能开销，在多个主流负载测试显示：吞吐最高下降51%、延迟最高上升102%，几乎抵消了大页所带来的性能收益。
针对上述问题，哈尔滨工业大学（深圳）夏文教授团队提出了一种免内存紧缩（Compaction-Free）的虚拟化内存碎片整理新机制。该机制的核心洞察是：GPA空间本质上是一种虚拟内存，客户机操作系统对于宿主机而言相当于用户进程，因此通过操控GPA与HPA之间的映射关系，GPA空间可以被视为（近乎）无限 ——现代处理器57位地址宽度所支持的PB级地址空间几乎永远不会耗尽，从而彻底消除客户机侧执行内存紧缩的必要性。为落实这一思想，团队设计了三个核心模块：（1）无限地址管理器（Infinite Address Manager），通过内存置换、快速回收与预留区域等技术，回收碎片化的GPA页面并扩展新的连续GPA区域；（2）宿主内存守卫（Host Memory Guard），借助自托管重映射与批量解映射机制维护GPA-HPA映射关系，并将实际HPA占用约束在虚拟机配额之内；（3）可扩展性优化器（Scalability Optimizer），通过无锁页位图更新、延迟TLB刷新的内核级重映射以及混合分页等技术，将该机制扩展至多线程和多虚拟机环境。基于上述设计，团队构建了免内存紧缩的虚拟化内存碎片整理系统 InfiniDefrag，并将其实现为Linux内存管理子系统的一个模块，在标准高阶分配路径无法满足大页分配请求时被触发。
实验在微基准与真实应用负载上对InfiniDefrag进行了系统性评测。图一结果表明，InfiniDefrag显著优于同类最先进方案LLFREE、启用透明大页（THP）的Linux以及默认4KB页Linux等当前最先进的方案，逼近理想的无碎片性能。在多个主流负载测试显示，InfiniDefrag相对上述对比方案吞吐提升21%-105%，验证了 "以无限GPA空间取代内存紧缩" 这一设计理念在虚拟化场景下的有效性与可扩展性。该成果已被操作系统领域顶级会议USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation（OSDI '26，中国计算机学会推荐A类会议） 录用。哈工大深圳校区为论文第一完成单位与通讯单位。夏文教授为通讯作者，深圳校区2024级研究生曾培鑫第一作者。
图1 InfiniDefrag端到端性能对比
哈尔滨工业大学（深圳）夏文教授团队立足国家战略需求和学术前沿，长期从事存储系统、操作系统、云存储、去重压缩、系统安全等领域研究，近年来主要研究成果发表在OSDI、FAST、USENIX ATC、ASPLOS、EuroSys等国际顶级会议，荣获省部级一等奖两项，促进了相关计算机系统与计算机存储学科的发展。
（审核 陈亦心）
