最終回　メインフレームLinuxの今後

日本アイ・ビー・エム株式会社
システムズ＆テクノロジー・エバンジェリスト
北沢強
2009/2/16

最近のメインフレームLinuxの機能強化（続き）

■ゲストOSとホストOSのメモリ連携

　z/VMのような仮想OSも、実際のOS同様、仮想メモリが実装されておりページング処理を行います。その上でゲストOSとして稼働するLinuxにも仮想メモリが実装されており、ページング処理を行っています。このような仮想化環境で起こる問題に「ダブルページング」があり、以下のような症状が挙げられます。

Linuxはアクセスされないメモリだと思ってページアウトしているが、z/VMはそのことを知らないので実メモリに常駐している（メモリ効率の悪化）
Linuxにとって、アクセス頻度は低いが重要なデータがあるメモリページなので常駐しておきたい部分が、z/VMはその重要性を知らず、アクセスされないメモリだと思ってページアウトしてしまう（システムの不安定要因）

　ホストOSであるz/VMからは、ゲストOSであるLinuxの中のメモリ管理がどういう状況なのか見えていないため、お互いに勝手にメモリ管理を行います。こうした現象は、その結果引き起こされるものです。

　Linuxカーネルにとっては重要なメモリページなのに、アクセス頻度が低いからといってz/VMがページアウトしてしまうと、ページ不在によってページインするまで数ミリ秒（ディスク速度）の遅延が生じ、それがLinuxカーネルを不安定にさせる要因になりかねません。

　このダブルページング問題は、メインフレームでは「ページハンドシェイク（Page hand shaking）」という手法を使って1970年代に解決しています。ホストOSとゲストOSの間で「握手」して、互いの無駄を省くように連携しようというものです。

　実装としては、z/VM側とLinux側の両方で対応機能が必要になります。さらに処理を効率化するには、ハードウェア命令で実装することが有効です。

　ここで、ページハンドシェイクに関連して、メインフレームLinuxに実装された機能を紹介しておきましょう。

・疑似ページ不在（pseudo page fault）の処理

　Linuxメモリでページ不在（page fault）が起きたとき、z/VMは該当するページを実メモリに読み込むまでLinux全体をウェイト状態にしてしまいます。しかしながら、ページ不在を起こしたプロセス以外は動き続けられるべきなので、ハンドシェイクによって、Linux全体を停止させずに特定プロセスだけウェイト状態にし、この問題を解決します。

・ページ固定（page fix）の処理

　Linuxの中でページアウトしたくないメモリに対してページを固定（page fix）しますが、それをz/VMにも知らせることで、z/VMとしても当該空間をページアウトしないようにページ固定します。

・CMM（Collaborative Memory Management）

　z/VMとLinuxの間でページ属性情報を交換して、ゲストとホストの全体でのメモリ最適化を行う仕組みがCMMです（図2）。例えば、Linux上のあるプロセスが終了してメモリが開放されたらz/VM側でも該当ページを開放し、優先的に再利用できるようにすることでメモリ効率を高めます。また、Linuxのファイルキャッシュのように開放可能なメモリについてもz/VM側で認識し、z/VMではその領域のページアウトを省略することでページングI/Oを減らすことができます。

　CMMは、処理ロジックは単純ですが、メモリ管理の処理であるため頻繁に実行されます。アセンブラで記述しても負荷が無視できないため、SIE命令と同様にハードウェアで実装することで高速化されています。System z10ではCMMA（Collaborative Memory Management Assist）というハードウェア命令により実装されています。

図2　CMMの仕組み（クリックすると拡大します）

■CPU時間の計算（CPU time accounting）

　Linuxでは、カーネル内でカウントしている100Hz（10ミリ秒）のタイマー刻時（Timer Ticks）を用いて、さまざまな計数や計算を行っています。分かりやすい例としては、CPU使用率の計算が挙げられます。

　ところが、複数のLinuxでプロセッサを共有している仮想化環境では、CPU時間が別のLinuxやハイパーバイザに奪われたりします。そのためタイマー刻時が不正確になってしまい、CPU使用率などの計算値が不正確になることが問題になっていました。

　そこでメインフレームLinuxでは、カーネル 2.6.16から、ハードウェアが持っているTODクロック（Time-of-date）を用いて時刻補正を行うように実装を変更しました。TODクロックは1マイクロ秒の精度があり、メインフレーム筐体（きょうたい）内で唯一の時間として使用できます。

　この実装により、仮想化共有環境においてもCPU使用率などの計算値が正確になるとともに、steal（別のOSシステムにCPU時間が盗まれている割合）も表示できるようになりました。これにはカーネルのみならず、vmstatやtop、それからsysstatに含まれるsar、iostat、mpstatなどのコマンドでも対応が必要でした（リスト2）。

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- -----cpu------

 r  b   swpd   free   buff    cache    si   so    bi    bo    in   cs us sy id wa st

 2  0      0   6428   9824   189868　  0    0     0     0  101    8  6 42  0  0 52

 1  0      0   6428   9824   189868　  0    0     0     0    98    7  5 40  0  0 55

 1  0      0   6428   9824   189868　  0    0     0     4  102    7  4 37  0  0 59

                                                                               ↑

                                                                        他区画が使用した分

リスト2　vmstatの出力例

■共有メモリのサポート

　z/VMにはDCSS（Discontinuous Saved Segment）という共有メモリ機能があります（図3）。固定アドレスを持ったメモリ領域ですので、z/VM上の複数のLinuxの間でメモリ共有をすることができます。

図3　DCSSの仕組み

　そこをファイルシステムとして利用すれば、高速な共有RAMディスクとして使用できます。またそこにカーネルを置けば、ディスクにI/Oせずに高速にブートできるうえに、カーネル1つ分のメモリ使用量で、100個でも1000個でもLinuxをブートできますから、メモリ効率の改善にも使えます。

　カーネルの実体は1つなので、保守の観点からいっても容易になるかもしれません。DCSSセグメントは複数定義できますが、NSS（Named Shared Segment）としてセグメントに名前を付ければ、アドレスを指定しなくても名前で管理することもできます（図4）。

図4　NSSの仕組み

　また、DCSSをRAMディスクとして使用する場合は、XIP（eXecute-in-place）を併用することで、ページキャッシュを使用せずにmmap()によって直接実行できるようになります。XIPには、ファイルのロード時間とページキャッシュ使用率の削減効果がありますから、/usr下のファイルをすべてDCSSに置いて数十～数百個のLinuxで共有すれば、メモリ効率は格段に高まり、ディスクI/Oも大幅削減ができるかもしれません。

　固定アドレスを持ったLinux間のメモリ共有という技術はまだ未開拓の領域でもあり、今後の発展に期待するところが大きいと考えられます。

　以上、メインフレームLinuxに最近追加された機能について、いくつか紹介しました。これらは仮想化サーバ統合環境におけるさまざまな課題を解決するものです。このほかに、メインフレームで重視される運用管理面での機能追加も多く、FCP（Fiber-channel Protocol）における統計情報の取得やz/VMモニタ情報の処理など、監視や問題判別に必要な機能が追加されています。

　Linuxそのものとの互換性を保持しながらも、「メインフレーム品質」を目指してハードウェア部分で独自実装を行い、RAS向上やスケーラビリティ・効率性改善に向けた努力を続けています。

2/3

Index
あなたの知らないメインフレームLinuxの世界　最終回　メインフレームLinuxの今後

	Page 1 最近のメインフレームLinuxの機能強化
	Page 2 最近のメインフレームLinuxの機能強化（続き）
	Page 3 データセンターが抱えるさまざまな課題と解決策クラウド・コンピューティングへの方向性メインフレームが向かう道まとめに代えてコラム　メインフレームLinuxが動くのはIBMだけ？

Linux ＆ OSS フォーラム新着記事

【 pidof 】コマンド――コマンド名からプロセスIDを探す （2017/7/27）
本連載は、Linuxのコマンドについて、基本書式からオプション、具体的な実行例までを紹介していきます。今回は、コマンド名からプロセスIDを探す「pidof」コマンドです。
Linuxの「ジョブコントロール」をマスターしよう （2017/7/21）
　今回は、コマンドライン環境でのジョブコントロールを試してみましょう。X環境を持たないサーバ管理やリモート接続時に役立つ操作です
【 pidstat 】コマンド――プロセスのリソース使用量を表示する （2017/7/21）
本連載は、Linuxのコマンドについて、基本書式からオプション、具体的な実行例までを紹介していきます。今回は、プロセスごとのCPUの使用率やI/Oデバイスの使用状況を表示する「pidstat」コマンドです。
【 iostat 】コマンド――I/Oデバイスの使用状況を表示する （2017/7/20）
本連載は、Linuxのコマンドについて、基本書式からオプション、具体的な実行例までを紹介していきます。今回は、I/Oデバイスの使用状況を表示する「iostat」コマンドです。