在大型语言模型推理服务中，KV 缓存的内存管理是决定系统吞吐量与响应延迟的核心瓶颈。Nano-vLLM 作为 vLLM 的轻量级分支，通过分块（paged）内存管理机制实现了对 GPU 显存的高效利用。当请求负载超过显存容量时，系统必须驱逐部分缓存块或对缓存进行压缩以释放空间，这直接关系到服务质量的稳定性。本文将从工程实践的角度，深入剖析 Nano-vLLM 中 KV 缓存块驱逐策略与压缩算法的实现细节，提供可量化的参数调优建议与监控指标体系，帮助工程师在实际部署中做出合理的内存管理决策。
块驱逐策略的工程实现与性能权衡
Nano-vLLM 将 KV 缓存划分为固定大小的内存块（通常为 16 个 token 或类似粒度），这种分块设计允许内存碎片率控制在较低水平，同时为驱逐策略提供了灵活的调度单元。在显存压力下，驱逐策略决定了哪些块应该被移除，核心目标是在最小化重复计算开销的前提下最大化缓存命中率。LRU（最近最少使用）是最直观的策略，其假设最近访问的块在未来更可能被再次引用，因此驱逐最久未被访问的块。该策略实现简单，开销低，在访问模式呈现时间局部性的工作负载（如长对话上下文）中表现良好。然而，LRU 对突发性访问模式较为敏感 —— 若一个块仅在初始化时访问一次但随后长期未被使用，它可能比一个频繁访问但短暂未访问的块更早被驱逐。
LRU-K 是对 LRU 的改进，引入了访问频率的考量。该策略会记录每个块最近的 K 次访问时间戳，只有当一个块的访问次数小于 K 时才会成为驱逐候选对象。这一机制有效过滤了仅在初始化时访问一次的冷启动块，显著提升了在包含大量短请求场景下的缓存命中率。但 LRU-K 也带来了额外的计算开销：系统需要维护每个块的访问队列并进行排序，当 K 值较大时这一开销会线性增长。Clock 算法提供了一种近似 LRU 的实现，它将所有块组织成一个环形链表，通过一个指针周期性地扫描每个块并检查其 "引用位" 是否被置位，无需维护完整的访问时间戳序列，因此内存开销更低，适合在资源受限的边缘设备上部署。对于 Nano-vLLM 的典型部署场景，建议在通用工作负载下默认使用 Clock 算法，在访问模式高度倾斜且对延迟敏感的场景下切换至 LRU-K 并将 K 设置为 2 或 3。
压缩算法的选择与精度损失边界
除了驱逐策略，压缩是另一种降低 KV 缓存内存占用的有效手段。量化（quantization）是最常用的压缩技术，通过将浮点数映射到低位整数表示来减少存储空间。INT8 量化在大多数模型上能够将 KV 缓存体积压缩至原始大小的约四分之一，同时对生成质量的影响通常可以忽略不计，是追求稳妥的首选方案。更激进的 INT4 量化可以将体积压缩至八分之一，但在某些任务（如长文本推理、数学计算）上可能出现明显的质量退化。Nano-vLLM 支持细粒度的量化配置，允许按层甚至按块应用不同的量化位宽，建议将 Transformer 的前馈层（FFN）后的 KV 缓存设为 INT8，而将注意力层的核心 KV 缓存保持为 INT16 或 INT8，以在内存节省与精度之间取得平衡。
稀疏化（Sparsity）是另一条技术路线，通过选择性保留 "重要" 的 KV 缓存块并驱逐或压缩 "不重要" 的块来实现压缩。重要性通常由注意力分数或梯度幅值来判定，但 Nano-vLLM 的工程实现更倾向于基于规则的稀疏化策略，例如固定间隔采样或分块丢弃。混合压缩策略结合了量化和稀疏化的优点：先对所有块应用 INT8 量化，再对注意力权重较低的块进一步应用 INT4 量化或直接驱逐。这种分层压缩可以在不显著增加推理延迟的前提下将峰值显存占用降低 50% 以上。工程师在配置压缩参数时，需要建立一套评估流程：首先在离线环境中使用目标数据集测试不同压缩配置下的生成质量（可采用困惑度或任务特定指标），确定可接受的精度损失边界；然后将该边界映射到具体的量化位宽和稀疏率配置，最后在线上环境中通过 A/B 测试验证实际效果。
工程实践：参数配置与监控体系
成功的 KV 缓存管理不仅依赖于算法选择，更需要精细的参数调优与持续的监控反馈。Nano-vLLM 暴露了多个与内存管理相关的配置项，核心参数包括 block_size（控制单个缓存块的 token 数量，较小的块粒度更细但管理开销更高）、num_gpu_blocks（决定预分配的 GPU 缓存块总数，需根据显存容量与模型尺寸计算）、eviction_policy（指定驱逐策略，支持 LRU、LRU_K、CLOCK）、enable_compression（是否启用压缩）、quantization_bitwidth（量化位宽，可选 8 或 4）以及 compression_sparsity（稀疏率，表示被稀疏化的块比例）。这些参数的推荐起始值通常可以在官方配置模板中找到，但最佳组合需要根据具体的工作负载特征进行调优。
监控指标是闭环调优的关键。Nano-vLLM 内置的指标收集器应重点关注以下几项：缓存命中率（Cache Hit Rate）反映驱逐策略的有效性，目标值通常应维持在 90% 以上；驱逐频率（Eviction Frequency）过高意味着显存压力过大或策略配置不当；重复计算开销（Recomputation Overhead）通过比较实际计算量与理论最小计算量的差异来量化驱逐带来的延迟惩罚；压缩误差（Compression Error）通过监测量化后的数值偏差来预警潜在的生成质量退化。建议将这些指标接入 Prometheus 或类似的可观测性平台，设置告警阈值（如缓存命中率低于 85% 或驱逐频率持续上升），并结合负载变化进行动态参数调整。例如，当检测到缓存命中率在长请求峰值期间下降时，可以临时增大 num_gpu_blocks 或切换至 LRU-K 策略；当压缩误差超过预设阈值时，应回退至更保守的量化配置。
总而言之，Nano-vLLM 的 KV 缓存内存管理是一个涉及驱逐策略、压缩算法与参数调优的复杂系统工程问题。没有一种策略能够适用于所有场景，工程师需要在内存占用、推理延迟与生成质量之间做出明确的取舍。通过本文提供的策略对比框架、参数配置清单与监控指标体系，团队可以建立一套系统化的调优方法论，在保证服务质量的前提下最大化硬件资源的利用效率。
资料来源：vLLM 官方文档关于 PagedAttention 与内存管理的描述；相关研究论文《Efficient Memory Management for Large Language Model Serving with PagedAttention》。