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GiantVM共享内存版向Linux内核社区提交RFC

2026-06-30 15:55:46

GiantVM：“多虚一”打破单机资源边界

传统而言，一台虚拟机的计算和内存资源主要受限于单台物理服务器的容量。“多虚一”技术 [1,3] 力图打破物理边界，在将多台服务器的计算资源合众为一的同时，保留应用层的单机模型抽象。其根植于分布式共享内存（Distributed Shared Memory, DSM）的思想，最早可追溯到美国国家工程院院士Kai Li教授在1986年的开创性研究工作 [2]。

随着现代AI、大数据、高性能计算（HPC）等工作负载日益繁重，我们观察到，系统设计中的难题周而复始，在新硬件条件、新负载条件下以新的形式出现。一方面，目前单纯提升单机配置进行纵向扩容(Scale-Up)，面临日益严重的边际收益递减问题，尤其是受限于“内存墙”瓶颈；另一方面，目前采用集群化方案开展横向扩容(Scale-Out)，则往往需要对上层应用程序进行深度改造，并引入可观的分布式通信开销。

什么是 GiantVM？

GiantVM项目由上海交通大学计算机学院可扩展计算研究所团队开发，构建了一种将多台物理主机聚合成一台虚拟机的“多虚一” Type II虚拟化框架。在基于标准Linux QEMU/KVM软件栈，保证客户机操作系统无需修改的同时，在CoreMark基准测试场景达到了接近普通虚拟机的99%的性能表现。结合新型互联总线技术，GiantVM能够支撑上层应用程序获得无感透明的性能提升。

技术优势

单机编程模型

GiantVM 提供共享内存抽象和单机编程模型，无需修改应用程序，即可运行在多台物理机上。

更高的资源利用率与可扩展内存容量

聚合多台物理主机的资源，按需分配给单台虚拟机，突破单机内存与CPU核心数上限。

透明的数据共享与迁移

数据在物理节点之间自动、透明地分布和移动，应用程序无感知，提供进程级跨机迁移。

与现代高速互连技术的集成

基于RDMA及多款内存语义互连总线（如CXL和华为灵衢UnifiedBus等）的技术方案正在积极适配中，为未来性能优化铺平道路。

核心技术选型：

共享内存及APIC转发机制

本次开源的patch系列为GiantVM的共享内存启动路径提供了基础的KVM APIC转发支持，修改主要集中在KVM，对内核其他部分修改很少。

它实现了一个简洁的中断转发接口，允许 KVM 将选定的LAPIC中断状态交给用户态的GiantVM运行时，由后者将中断路由并重新注入到目标vCPU。这使得跨节点的 APIC/IPI 协同在启动和运行期间成为可能。

具体增加的功能包括：

新增 CONFIG_KVM_DSM_IRQ_FORWARD 内核编译选项。

拦截 LAPIC 对 APIC_ICR / APIC_ICR2 的 MMIO 写操作。

在需要时将中断处理出口到用户态（KVM_EXIT_DSM_SEND_IRQ）。

提供 VM ioctl 接口，允许 GiantVM 运行时将 DSM IPI、x2APIC ICR 等状态回注到 KVM。

上述相关代码接口设计将根据社区反馈意见进行调整。

性能表现：

最高达普通虚拟机的99%，

集成新型总线获得9.9x提升

我们在4核到128核配置下运行CoreMark基准测试，目前GiantVM的开源方案，整体表现令人印象深刻：

vCPU数	GiantVM 得分	普通VM 得分	GiantVM / 普通VM
4	98,783	101,032	97.77%
8	205,642	210,817	97.55%
16	390,974	400,500	97.62%
32	744,099	800,328	92.97%
64	1,477,804	1,629,535	90.69%
72	1,511,546	1,810,068	83.51%
128	2,531,447	2,556,548	99.02%

可以看到，在128核配置下，GiantVM 达到普通虚拟机性能的 99%，相对自身4核成绩扩展了 25.63倍，而普通虚拟机相应为25.30倍。

在新型CXL总线的硬件支撑下，GiantVM在Spark Word Count和Inverted Index场景下最高可获得9.9x以上的性能提升。

图中，GVM是简单将RDMA替换为新型总线，基于“多虚一”运行原生Spark。xSpark为使用新型总线，基于原生操作系统的定制化Spark方案。XcaleVM为在GVM基础上进行针对总线特性的深度优化结果，基于“多虚一”运行原生Spark。基线（1x）为基于RDMA和原生操作系统的原生Spark方案。