主要参考：
vLLM核心技术PagedAttention原理

总结一下 vLLM 的要点：

1. Transformer decoder 结构推理时需要一个token一个token生成，且每个token需要跟前序所有内容做注意力计算（包括输入的prompt和该token之前生成的token），一般为了避免重复计算，会保存prompt和前序token的 K，V （称为 KV Cache）。但随着大模型时代的到来，输入的 prompt 和生成的回答越来越长，使得 KV Cache 造成的内存压力越来越大。需要对内存使用进行优化。
2. 常规的内存分配方式有以下痛点:
   

1. 除了 prompt 部分是完全用满的，reservation frag 在还没有用到的时候是浪费了的（本来可以用来存一些临时变量），internal frag 是完全浪费的（而且batch数据中max_length越大，浪费越多）。至于内存碎片，一般是当多个小操作反复申请和释放内存时，很容易在内存池中形成多个大小不一的碎片。即使最终总内存足够，但如果需要一个较大的连续块，而内存池中只剩下若干零散的块，就会导致内存碎片问题（图中只是举例，真实情况并不是图示的那种每个request产生一个相同大小的内存碎片）

3. 采用 PagedAttention虚拟内存的分业管理技术，首先将 KV 分解成多个固定大小的页面（或称为“块”），同时将物理内存也按相同方式划分。这样对于1个进程，我们不需要静态加载它的全部代码、数据等内容。我们想用哪部分，或者它当前跑到哪部分，我们就动态加载这部分到虚拟内存上，然后由虚拟内存帮我们做物理内存的映射。这样通过分块计算，系统只需分配较小的内存块用于当前页面的计算，而不必一次性分配一个超大的连续内存区域。这在内存碎片较多时尤其有利，因为小块内存更容易在碎片化的内存池中找到连续区域。 因此有利于缓解或者说消化内存碎片。而对于 reservation frag 和 internal frag ，在传统方法中，它们属于预先分配的，还没用上的内存。而在分业管理技术中，reservation frag 在还没轮到时，不会预分配。internal frag 则由于不存在预分配，压根就不会存在了。

4. 由于分页管理技术是跑到哪，再动态加载这部分到内存，因此可能会出现显存已经打满，但一个batch的计算还没有全部完成的情况。针对这种情况，vLLM采用的是 先到的先算，如果没算完显存就被打满，则把后来的任务中断，并释放其 KV 占用的显存，供先来的任务算完。这里释放后来任务的 KV 占用，既可以是扔掉后面再重新算，也可以是先放到CPU 内存当中，后面再直接调用。因此虽然vLLM看似还是一个batch的数据输入，再返回一个batch的输出，但实际有可能这批数据有的是优先算好，才把资源释放给后面的数据算的。

5. vLLM还采用了 内存复用机制，例如：1.对于同样一个prompt，给出三种不同回答的场景，这个prompt的 KV 就可以在三个数据中都使用，而不用复制三份，即虽然虚拟内存上看是有三份，但这三份在物理内存上都指向一份，实际只消耗了一份内存。2. 在 beam search 场景，top k 的序列往往有很多前置 token 是相同的，这些也可以用类似上面的方法，即虚拟内存各占各的，但相同 token 的在物理内存上指向同一份。

最后，虽然vLLM看似只是通过节省内存提高推理吞吐量（可以用更大的batch），从而达到加速的目的。但除此之外，还有一些方面也加速了推理：

1. 传统方法中，经常要分配大块的连续内存，容易因等待内存释放而出现延迟，而vLLM的分业管理技术，降低了大块内存分配的延迟开销
2. 避免一次性在多个层次（全局内存、共享内存、寄存器）之间搬运大块数据，提高了内存带宽利用率和整体效率。而且通过分页，vLLM 可以在有限的 GPU 内存内高效管理和访问 KV 数据，确保注意力计算时数据能就近命中，从而提升整体计算速度。