在当今数字化时代，电子设备已成为我们生活中不可或缺的一部分。无论是手机、电脑还是平板，它们为我们的工作、学习和娱乐提供了极大的便利。然而，一个让众多用户头疼不已的问题却如影随形 —— 内存不足。
想象一下这样的场景：你正在手机上一边与同事激烈地讨论工作方案，一边查阅重要资料，还时不时地切换到社交软件回复朋友的消息。突然，手机屏幕一滞，操作变得迟缓起来，每点击一次都要等待许久才有反应，甚至有些应用还会直接闪退。这种情况是不是让你心急如焚，工作效率大打折扣？又或者，当你在电脑上满心欢喜地打开一款期待已久的大型游戏，准备尽情享受沉浸式的娱乐时光时，电脑却像是老牛拉破车一般，运行得极为吃力，画面卡顿，声音也断断续续，原本的快乐瞬间化为乌有。
这些令人沮丧的状况，归根结底都是内存不足在作祟。随着我们对电子设备依赖程度的加深，日常使用中所运行的应用程序数量越来越多，对内存的需求也水涨船高。当内存无法满足这些程序同时运行的需求时，设备就会陷入卡顿甚至死机的困境，严重影响我们的使用体验。为了解决这一难题，技术人员们不断探索创新，而 ZRAM 技术便是其中的一项重要突破 。
一、ZRAM技术简介
1.1概述
内存是计算机系统最重要的资源之一，当操作系统内存不足时，进程申请内存将会失败，从而导致其运行异常或者崩溃。zram swap 主要原理就是从内存分配一块区域出来用作 swap 分区，每次如果内存空间不够了，不是把应用程序杀掉，而是把应用程序所占用的内存数据复制到 swap 分区，等切换回来的时候就可以直接把这部分数据恢复到内存当中，节省重新开启所需的时间。
而被放到 swap 分区的应用程序，所占用的内存都是被压缩过的，比如，微信在普通内存中占用 50 MB 的空间，如果压缩率为 0.4，则放到 swap 分区里面的数据只需要 20 MB 的空间，这样 swap 分区里面就可以存放更多后台临时不用的应用程序，变相扩展了内存的大小。
通过 swap 机制，系统可以将内存分配给需求更迫切的进程。但由于 swap 机制需要进行 I/O 操作，所以一定程度上会影响系统性能。那么是否存在一种能够节省内存，而且对性能影响较少的机制呢？
在 Linux-3.14 引入了一种名为 zRAM 的技术，zRAM 的原理是：将进程不常用的内存压缩存储，从而达到节省内存的使用。如下图所示：
图片
zRAM 机制建立在 swap 机制之上，swap 机制是将进程不常用的内存交换到磁盘中，而 zRAM 机制是将进程不常用的内存压缩存储在内存某个区域。所以 zRAM 机制并不会发生 I/O 操作，从而避免因 I/O 操作导致的性能下降。
1.2ZRAM 技术是什么
ZRAM，这个听起来有些神秘的技术，实际上是 Linux 内核提供的一项虚拟内存压缩功能。简单来说，它就像是一个聪明的 “内存管家”，能够在内存紧张时大显身手 。在计算机的世界里，当物理内存不足时，系统通常会将一些暂时不用的数据转移到硬盘的交换空间中，这个过程被称为磁盘分页。然而，硬盘的读写速度与内存相比，简直是天壤之别，这就导致一旦频繁进行磁盘分页，设备的运行速度会大幅下降，出现严重的卡顿现象。
ZRAM 的出现，巧妙地解决了这一难题。它通过在 RAM 内创建一个压缩块设备，将那些暂时不用的内存数据进行压缩后存储在这个设备上，也就是我们所说的分页。这样一来，在需要交换或分页时，系统优先使用 ZRAM 这个压缩块设备，而不是直接使用硬盘上的交换空间，从而避免了在磁盘上进行分页，大大提高了性能。形象地讲，ZRAM 就像是给内存增加了一个 “压缩仓库”，当内存里的东西太多放不下时，就把一些不太常用的东西压缩后放进这个 “仓库” 里，等到需要使用的时候，再把它们解压取出来。而且，由于这个 “仓库” 就在内存里面，存取速度比从硬盘中读取要快得多，这就使得设备在内存紧张的情况下依然能够保持较为流畅的运行 。
从技术原理上看，ZRAM 利用了内存的快速读写特性和数据压缩算法。当系统检测到内存压力时，会将一部分内存页面数据传递给 ZRAM 模块。ZRAM 模块会对这些数据进行压缩，然后将压缩后的数据存储在预先分配好的内存区域中，这个区域就形成了一个虚拟的块设备，类似于磁盘分区，但速度却比磁盘快很多。当应用程序需要访问这些被压缩的数据时，ZRAM 会及时将其解压并返回给应用程序，整个过程对于应用程序来说是透明的，就好像这些数据一直都在正常的内存中一样 。
二、ZRAM 技术的工作原理
由于zRAM 机制是建立在swap机制之上，而 swap 机制需要配置 文件系统 或 块设备 来完成的。所以 zRAM 虚拟一个块设备，当系统内存不足时，swap 机制将内存写入到这个虚拟的块设备中。也就是说，zRAM 机制本质上只是一个虚拟块设备。
zRAM 的原理如下图所示：
图片
从上图可以看出，在开启了 zRAM 机制的情况下，当系统内存不足时，内核会进行如下操作：
- 通过 swap 机制从系统中查找一些进程不常用的内存。
- 将这些不常用的内存交换到 zRAM 块设备中，而 zRAM 块设备首先会对这些不常用的内存进行压缩，然后存储起来。
- 把不常用的内存压缩存储到 zRAM 块设备后，swap 机制会把这些不常用的内存归还给内核。
- 当进程访问到这些被交换到 zRAM 块设备的内存时，swap 机制将会通过 zRAM 块设备解压这些内存，并且重新建立与进程的地址映射关系。
2.1zram配置步骤
(1)内核配置
3.15 之前版本的 kernel
3.15 及之后版本的 kernel
具体的配置项如下：
(2)zram 块设备个数设定
如果是将 zram 编译成模块，则可以使用下面命令动态加载，这个命令会创建 4 个设备 /dev/zram{0,1,2,3}
如果是直接将 zram 编译到内核，那只能在代码里面直接修改 num_devices，3.15 之前的版本代码路径是 drivers/staging/zram/zram_drv.c，3.15 及之后的版本代码路径是 ./drivers/block/zram/zram_drv.c ，默认 zram 设备个数是一个。
(3)压缩流的最大个数设定
这个是 3.15 版本及以后的 kernel 新加入的功能，3.15 版本之前的 zram 压缩都是使用一个压缩流（缓存 buffer 和算法私有部分）实现，每个写（压缩）操作都会独享压缩流，但是单压缩流如果出现数据奔溃或者卡住的现象，所有的写（压缩）操作将一直处于等待状态，这样效率非常低；而多压缩流的架构会让写（压缩）操作可以并行去执行，大大提高了压缩的效率和稳定性。
查看压缩流的最大个数，默认是1
设定压缩流的最大个数
(4)压缩算法选择
查看目前支持的压缩算法
修改压缩算法
(5)zram 内存大小设定
分配部分内存作为 zram ，大小建议为总内存的 10%-25% 。
可以使用数值直接设置内存大小，单位是 bytes
也可以使用带内存单位作为后缀的方式设置内存大小
(6)启用 zram 设备为 swap
(7)具体的 zram 相关对外接口说明
图片
(8)系统运行之后的内存统计情况
从 Line 14,15 可以看到 swap 相关的统计信息，SwapTotal 的大小就是 zram 设备的大小，当系统开启了一段时间之后，就会将后台的一些优先级低的应用数据（匿名页面）压缩存放到 swap 区，然后再重新打开这些应用的时候，再从 swap 区将它们的数据解压出来。在 Android KitKat 版本之前，Android 设备因为没有 zram，所以查看 /proc/meinfo 看到的 swap 分区的大小和统计数据都会是零。
Line 5 也可以看到 swap 相关的统计信息，如果需要查看具体某个进程使用了多少 swap 空间，可以通过dumpsys meminfo pid（该进程的 id 号）查看。
2.2启用zRAM
(1)创建 zRAM 块设备
要启用 zRAM，首先需要创建 zRAM 块设备。要创建 zRAM 块设备，可以使用以下命令：
num_devices 参数可以指定创建 zRAM 块设备的个数，上面命令创建了一个 zRAM 块设备，可以通过路径 /dev/zram0 来访问这个块设备。
(2)设置 zRAM 块设备的大小
创建完 zRAM 块设备后，可以通过以下命令来设置其空间大小：
上面命令设置了 zram0 的大小为 512MB，也就是说， zram0 能够存储 512MB 压缩后的数据。
(3)压缩算法选择
zRAM 机制支持多种压缩算法，不同的压缩算法有不同的压缩比率和压缩速度，用户可以按照自身的需求来选择不同的压缩算法。
要更改 zRAM 的压缩算法，可以使用下面命令：
上面命令将 zRAM 的压缩算法更改为 lzo，我们也可以通过下面命令来查看内核支持哪些压缩算法：
从上面命令的输出可知，内核支持 lzo 和 lz4 两种压缩算法。
(4)将 swap 交换设备设置为 zRAM
要将 swap 的交换设备设置为 zRAM 块设备，可以使用以下命令：
当执行完上面这条命令后，内核将会使用 zram0 作为 swap 的交换设备。
三、zRAM技术的实现
zRAM 块设备驱动的实现代码主要在 drivers/block/zram/zram_drv.c 文件中，下面我们主要围绕此文件进行分析。
本文并不会介绍块设备驱动的编写流程，只会分析 swap 机制在进行内存交换时，与 zRAM 块设备驱动的交互。
3.1压缩内存
当系统内存不足时，内核将会触发 swap 机制。swap 机制首先会从系统中选择一些进程不常用内存，然后将这些不常用的内存交换到 zRAM 块设备中（使用 zRAM 块设备作为交换设备的情况下）。
当 swap 机制将不常用的内存交换到 zRAM 块设备时，会调用 zram_make_request() 函数处理请求。而 zram_make_request() 最终会通过调用 zram_bvec_write() 函数来压缩内存，调用链如下：
我们来分析一下 zram_bvec_write() 函数的实现，其代码如下：
为了简化分析过程，我们对代码进行精简。从上面的代码可以看出，zRAM 机制对内存进行压缩的步骤如下：
- 获取需要进行压缩的内存，需要进行压缩的内存由 swap 机制提供。
- 通过 zcomp_compress() 函数对内存进行压缩，src 指针指向压缩后的内存地址。
- 通过 zs_malloc() 和 zs_map_object() 函数申请一块新的内存块，大小为压缩后数据的大小。
- 将压缩后的数据复制到新申请的内存块中。
- 将压缩后的数据记录到 zRAM 块设备的表格中。
由于 zRAM 块设备是建立在内存中的虚拟块设备，所以其并没有真实块设备的特性。真实块设备会将存储空间划分成一个个块，而 zram_bvec_write() 函数的 index 参数就是数据块的编号。此参数有 swap 机制提供，所以 zRAM 块设备驱动通过 index 参数作为原始内存数据的编号。
一图胜千言：
图片
zRAM驱动有个数据块表，用来记录原始内存数据对应的压缩数据，此表的索引就是数据块的编号。swap 机制会维护此表格的使用情况，如哪个块是空闲的，哪个块被占用等。
当内存页被压缩后，swap 机制将会把原来的内存页释放掉，并且把所有映射到此内存页的进程解除映射，细节可以参考 swap 机制相关的资料。
3.2ZRAM性能优化方式
(1)模拟块设备
从技术实现的角度来看，ZRAM 本质上是一个非常独特的块设备驱动 。它采用了一种巧妙的方式，使用内存来模拟 block device，也就是块设备。在整个系统的内存管理体系中，ZRAM 将内存回收的重要策略放心地交给内存管理模块，因为内存管理模块在长期的发展和优化中，已经具备了非常成熟和高效的内存回收算法，能够根据系统的实际运行情况，合理地回收不再使用的内存资源，确保系统内存的高效利用。
对于压缩和解压缩这一关键的操作环节，ZRAM 则依赖于专业的压缩库。这些压缩库经过精心设计和优化，拥有多种高效的压缩算法，能够根据不同的数据类型和特点，选择最合适的压缩方式，在保证数据完整性的前提下，尽可能地提高压缩率，减少数据占用的内存空间。同时，在需要使用数据时，压缩库也能够快速地将压缩数据解压缩，恢复成原始数据，满足应用程序的使用需求。
而 ZRAM 自身的内存分配工作，则由 zsmalloc 负责。zsmalloc 是专门为 ZRAM 设计的内存分配器，它充分考虑了 ZRAM 在内存紧张环境下的工作需求。在内存紧张时，传统的内存分配器可能会因为高阶内存分配不到而失败，导致 ZRAM 无法正常工作。但 zsmalloc 通过独特的设计，能够在这种情况下更好地工作，它尝试将多个相同大小的对象存放在组合页（称为 zspage）中，并且这个组合页不要求物理连续，从而大大提高了内存的使用率，确保 ZRAM 在内存紧张的情况下也能稳定运行 。
(2)数据压缩存储
当应用程序在运行过程中产生内存页时，这些内存页首先会被传递到 ZRAM 模块。ZRAM 模块会对这些内存页进行仔细的分析和处理，然后运用高效的压缩算法对其进行压缩。以 Android 手机为例，当你连续打开多个应用时，系统的空闲内存会持续下降。此时，ZRAM 就会发挥它的强大作用，它会把最近最少使用的页面识别出来，比如淘宝应用的页面，如果它是最近最少使用的，原本占用 100M 的匿名页，经过 ZRAM 的压缩算法处理后，可能只需要占用 40M 的空间，通过这样的压缩操作，一下子就节省了 60M 的内存空间 。
压缩后的内存页会被存储到 zram 块设备中，这个过程就像是把整理好的物品存放到一个专门的仓库里。当应用程序后续需要访问这些内存页时，ZRAM 会快速响应。它首先会检查所需的数据是否已经在 zram 块设备中，如果存在，就直接从 zram 块设备中读取压缩数据，然后迅速进行解压缩操作，将解压缩后的数据返回给应用程序使用。整个过程非常高效，对于应用程序来说，几乎感觉不到数据是从经过压缩存储的 zram 块设备中获取的，就好像这些数据一直都在正常的内存中随时可供使用一样 。
(3)多数据流并发优化
在早期的内核版本中，对压缩流的设置相对较为单一。例如在 3.15 老版本内核中，虽然提供了接口给上层设置最大压缩流，但这种设置方式在实际应用中存在一定的局限性，无法充分满足系统对于并发性能的需求。随着技术的不断发展和对系统性能要求的不断提高，从 4.19 内核开始，底层内核做出了重大改进，针对各个 CPU 都配置了一个压缩数据流 。
这样做的主要目的是为了极大地优化系统中并发的情况。当系统中有多个写压缩操作同时发生时，每个操作都能够独享一个压缩数据流。通过这种多数据流的设计方式，系统能够同时处理多个并发的压缩操作，大大提高了系统在高并发场景下的处理能力和效率。
举例来说，当你的电脑在同时运行多个大型软件，每个软件都有大量的数据需要进行内存压缩处理时，多数据流并发优化机制就能够让这些软件的压缩操作同时高效进行，避免了因为压缩流不足而导致的操作等待和系统卡顿，确保系统在复杂的多任务环境下依然能够保持流畅运行 。
四、ZRAM技术的优势及应用场景
4.1ZRAM 技术的优势
(1)提升系统性能
在内存不足的设备上，ZRAM 技术就像是一位救星，能够显著提升系统的性能 。与传统的磁盘 swap 相比，ZRAM 具有无可比拟的速度优势。传统磁盘 swap 在内存不足时，会将内存数据转移到硬盘的交换空间中，而硬盘的读写速度远远低于内存。在这种情况下，系统的响应速度会变得极为迟缓，就像一辆原本高速行驶的汽车突然陷入了泥潭，每一个操作都变得艰难无比。
而 ZRAM 技术则另辟蹊径，它将压缩后的数据存储在内存中，这就避免了磁盘 I/O 操作带来的巨大延迟 。当系统需要调用被交换出去的数据时，ZRAM 能够在极短的时间内将压缩数据解压并返回给应用程序，使得系统的响应速度大幅提升。以一款老旧的 PC 电脑为例，它的内存较小，在同时运行多个程序时，传统磁盘 swap 会让系统卡顿得几乎无法操作。
但在启用 ZRAM 技术后，即使打开多个大型文档、运行音乐播放器和浏览器等多个程序，系统依然能够保持相对流畅的运行，程序之间的切换也变得迅速，大大提高了用户的工作和娱乐效率 。
(2)提高内存利用率
ZRAM 技术通过其独特的压缩技术，能够在有限的内存空间中存储更多的数据，从而有效地 “扩大” 了可用内存容量 。这一优势在实际应用中表现得非常明显。比如，在一台配备 4GB 内存的电脑上，同时运行多个应用程序时，内存很快就会被占满。假设一个应用程序占用 500MB 的内存空间，在没有 ZRAM 技术的情况下，这 4GB 内存可能只能容纳 8 个这样的应用程序。
但当启用 ZRAM 技术后，通过压缩算法，原本占用 500MB 内存的应用程序，经过压缩后可能只需要占用 200MB 的内存空间 。这样一来，同样是 4GB 的内存，就可以容纳 20 个这样经过压缩存储的应用程序，大大提高了内存的利用率，使得系统可以在内存压力下运行更多的进程，用户也能够更加自由地进行多任务操作，无需频繁关闭应用程序来释放内存 。
(3)延长存储设备寿命
对于使用 SSD 或嵌入式存储设备的用户来说，ZRAM 技术还有一个重要的优势，那就是能够延长存储设备的使用寿命 。在传统的内存管理方式中，当内存不足时，系统会频繁地将内存数据写入硬盘的交换空间，也就是我们常说的 Swap 分区。这种频繁的读写操作会对硬盘造成较大的损耗，尤其是对于 SSD 这种有写入寿命限制的存储设备来说，频繁的写入操作会加速其老化，缩短其使用寿命 。
而 ZRAM 技术的出现，改变了这一局面。它将数据压缩后存储在内存中，减少了对硬盘的读写次数 。以一款使用 SSD 的笔记本电脑为例，在日常使用中，如果频繁进行大文件的读写、多任务处理等操作，没有 ZRAM 技术时，硬盘的读写次数会非常频繁，可能在几年后就会出现性能下降甚至损坏的情况。但当启用 ZRAM 技术后，大部分的内存交换操作都在内存中完成，大大减少了对硬盘的依赖，从而有效地延长了硬盘的使用寿命，让用户能够更长时间地享受稳定的存储服务 。
4.2ZRAM 技术的应用场景
(1)嵌入式设备
在嵌入式设备的领域中，内存和存储资源常常面临着极为紧张的局面。以常见的智能摄像头为例，这类设备通常被设计得小巧轻便，以便于安装和使用，这就导致其内部空间有限，无法容纳大容量的内存和存储设备。然而，智能摄像头需要实时处理大量的图像数据，包括图像采集、编码、传输以及存储等多个环节，这些操作都对内存和存储有着较高的需求 。
在这种内存和存储受限的情况下，ZRAM 技术就成为了提升设备性能的关键。当智能摄像头的内存空间不足时，ZRAM 能够迅速介入，将暂时不用的内存数据进行高效压缩，然后存储在 ZRAM 设备中。这样一来，不仅避免了频繁的磁盘 I/O 操作，因为磁盘的读写速度相对较慢，频繁操作会严重影响设备的响应速度，而且还能减少对存储设备的磨损。对于嵌入式设备中常用的闪存等存储介质来说，其写入寿命是有限的，频繁的写入操作会加速其老化，而 ZRAM 技术通过减少磁盘 I/O，有效地延长了存储设备的使用寿命，使得智能摄像头能够更加稳定、持久地运行 。
(2)Android 系统
Android 系统作为全球使用最为广泛的移动操作系统之一，其用户数量庞大，应用场景也极为丰富。在日常使用中，用户常常会同时打开多个应用程序，例如在浏览新闻资讯的同时，还会接收社交软件的消息通知，并且可能后台运行着音乐播放、地图导航等应用。这种多任务的使用场景对手机的内存管理提出了极高的要求，如果内存管理不善，就容易出现应用卡顿、闪退等问题，严重影响用户体验 。
为了解决这一难题，Android 系统从 4.4 版本开始默认采用了 ZRAM 技术。当用户在手机上开启多个应用导致内存紧张时，ZRAM 技术就会发挥作用。它会自动识别出那些最近最少使用的应用程序所占用的内存页面，然后对这些页面进行压缩处理。例如，当你打开了微信、淘宝、抖音等多个应用后，系统内存逐渐减少，ZRAM 会将微信中暂时不用的聊天记录页面、淘宝的商品缓存页面等进行压缩，原本占用较大内存空间的这些页面，经过压缩后占用的内存大幅减少。这样，就为其他正在运行的应用程序释放出了更多的内存空间，使得手机在多任务场景下依然能够保持较为流畅的运行，应用之间的切换也更加迅速，大大提升了用户的使用体验 。
(3)内存受限的老旧 PC
随着科技的飞速发展，计算机硬件的更新换代速度越来越快。然而，对于许多用户来说，手中的老旧 PC 由于各种原因，如预算有限、对电脑性能要求不高等，仍然在继续使用。这些老旧 PC 往往存在内存容量较小的问题，例如早期的电脑可能只有 1GB 或 2GB 的内存 。
在当今的软件环境下，许多应用程序对内存的需求越来越高。一款普通的办公软件在运行时可能就需要占用几百 MB 的内存，而如果再同时打开浏览器、音乐播放器等多个程序，内存很快就会被耗尽，导致电脑运行缓慢，甚至出现死机的情况。此时，ZRAM 技术就为这些老旧 PC 提供了一种经济实惠且有效的性能改善方案。通过启用 ZRAM 技术，老旧 PC 可以在不增加硬件成本的前提下，将一部分内存空间划分出来作为 ZRAM 设备。当内存不足时，系统将暂时不用的数据压缩后存储到 ZRAM 设备中，从而在一定程度上缓解内存压力，使得电脑能够更加流畅地运行多个应用程序，满足用户日常办公、娱乐等基本需求 。
