在大规模语言模型推理系统中，KV 缓存管理与调度策略是决定推理吞吐量和延迟的核心技术瓶颈。随着模型参数规模从数十亿向数千亿级别演进，以及长上下文场景的普及，如何高效管理键值缓存、优化注意力计算、同时保证服务质量，成为工程落地的关键挑战。本文将从生产实践角度，系统阐述 KV 缓存的管理机制、vLLM 的核心参数配置以及调度策略的优化方向。
KV 缓存的核心地位与优化原理
在自回归生成模式下，LLM 每生成一个 token 都需要访问之前所有 token 的键（Key）和值（Value）向量来计算注意力权重。这使得每个推理请求在解码阶段都面临两个核心约束：计算复杂度随序列长度平方增长，以及 KV 缓存所需的显存空间线性增长。以一个典型的 70 亿参数模型为例，单个请求在 4096 上下文长度下，KV 缓存可能占用数 GB 显存，这直接限制了可以并发处理的请求数量。
传统的连续缓存分配方式存在严重的内存碎片化问题。当多个请求并发执行时，由于每个请求的序列长度动态增长，显存分配往往采用预分配最大长度的策略，导致大量显存浪费在实际未使用的区域。vLLM 引入的分页注意力机制从根本上解决了这一问题：将 KV 缓存划分为固定大小的物理块，按需动态分配，块之间无需连续，从而实现接近 100% 的显存利用率。这一设计使得在相同硬件条件下，推理吞吐量可以提升数倍。
vLLM 分页注意力的核心参数配置
理解 vLLM 的分页注意力机制，需要掌握几个关键参数的含义与调优策略。Block Size（块大小）是最基础的配置项，默认值为 16 个 token。块大小的选择本质上是碎片化与索引开销之间的权衡：较大的块可以减少元数据开销和查找延迟，但会增加内部碎片化（一个块中未使用的 token 浪费的显存比例）；较小的块则相反。对于长上下文工作负载，建议将块大小调整为 32 或 64，以减少元数据开销；而对于大量短序列并发的场景，16 或 8 的小块能更好地匹配实际序列长度，减少碎片化。
KV 缓存容量配置涉及 GPU 显存的整体规划。vLLM 在启动时根据模型大小、精度、max_model_len 参数以及预留的显存空间计算可用块数量。在实际部署中，建议通过监控工具观察显存使用率，如果发现显存剩余过多但请求被拒绝（表现为 throughput 不达预期且 GPU 利用率偏低），可以适当增加 max_model_len 或减少预留显存；反之，如果频繁出现 CUDA OOM 或请求排队过长，则需要降低并发度或限制最大序列长度。值得注意的是，vLLM 支持 Layer-wise 的 KV 缓存分配策略，即每个注意力层拥有独立的块池，这一设计简化了索引逻辑并允许针对不同层做差异化优化。
混合缓存管理器是 vLLM 在 2025 年后引入的重要特性，它允许将部分 KV 缓存卸载到 CPU 内存或远程存储。这一机制对于长上下文场景尤为重要，因为即使是优化过的 GPU 显存也难以容纳超长序列的完整缓存。通过配置 hybrid_kv_cache_fraction 参数，系统可以在 GPU 显存紧张时自动将较老的缓存块迁移到 CPU，并在需要时重新加载。对于单次推理可能达到 100k 以上 token 的场景，建议启用混合缓存并将 CPU 内存比例设置为 20% 至 30%，同时配置合适的 eviction policy（如 LRU）来管理缓存淘汰策略。
前缀缓存与多租户隔离机制
分页注意力不仅解决了显存碎片化问题，还为前缀缓存提供了天然的实现基础。在实际生产环境中，许多请求共享相同的系统提示词或业务前缀（如 “你是一个有帮助的助手” 或特定领域的指令模板），这些前缀的 KV 缓存理论上可以被所有请求复用。vLLM 通过对每个缓存块计算哈希值来实现内容寻址，当新请求到达时，系统自动检测已缓存的前缀块并跳过重复计算。这一特性在 ChatBot 类应用中可以将首个 token 的生成时间（Time to First Token，TTFT）降低 50% 以上。
多租户场景下的前缀缓存需要特别关注隔离性问题。vLLM 提供了 cache_salt 参数，允许为不同租户设置不同的盐值，从而确保即使完全相同的 prompt 内容也不会共享 KV 缓存。这一机制在 SaaS 服务或多租户 API 平台中至关重要，因为不同租户的私有数据不应该产生任何形式的缓存泄漏。配置时，建议为每个租户或 API Key 生成唯一的 salt 值，并在租户生命周期内保持稳定，以最大化缓存命中率。
Prefill 与 Decode 分离的调度策略
现代 LLM 推理系统普遍采用 Prefill（预填充）与 Decode（解码）分离的调度策略，这一设计源于两者截然不同的计算特性。Prefill 阶段处理输入 prompt，计算量大但可以高度并行化，适合大批量处理以摊销启动开销；Decode 阶段逐个生成输出 token，计算密度低但对延迟敏感，需要尽快返回以提供流畅的用户体验。将两者混合调度往往导致 Prefill 任务抢占 Decode 延迟资源，造成用户体验下降。
vLLM 的连续批处理（Continuous Batching）机制默认优先处理 Decode 队列中的请求，通过 chunked prefill 技术将长 prompt 分割为多个小块，每次只处理一部分 prefilling 工作，从而在保证 Decode 延迟的同时逐步完成 prefilling 任务。对于延迟敏感型应用（如交互式对话），建议将 prefill_chunk_size 设置为 512 或更低，以避免单个长 prompt 阻塞整个调度周期；而对于离线批处理场景，可以将此值设置为 2048 或更高，以提升整体吞吐量。
动态批处理是另一个影响调度效率的关键参数。vLLM 允许在运行时将多个请求打包到同一个前向传播中执行，这一技术称为 continuous batching 或 in-flight batching。批处理大小的选择需要权衡吞吐量和延迟：更大的批次可以提高 GPU 利用率，但会增加请求的排队等待时间；更小的批次则相反。对于面向终端用户的在线服务，建议将 max_num_seqs 限制在 32 到 64 之间，并配合 SLO 监控动态调整；而对于离线推理任务，可以使用更大的批次（如 128 甚至 256）以最大化 GPU 算力利用率。
量化与 KV 缓存的协同优化
量化技术是降低显存占用和提升吞吐量最直接的手段。除了权重量化外，KV 缓存的量化正逐渐成为标准实践。FP8 量化在最新的 Hopper 和 Blackwell 架构 GPU 上得到原生支持，可以在几乎不损失模型精度的前提下将 KV 缓存的显存占用减半。对于不支持 FP8 的旧一代 GPU，可以考虑使用 INT8 量化或动态量化策略。在 vLLM 中，可以通过 --kv-cache-dtype 参数启用 KV 缓存量化，同时建议配合权重量化（如 AWQ 或 GPTQ）一起使用，以获得最大收益。
需要特别指出的是，量化方案的选型需要与具体业务场景匹配。对于对生成质量要求极高的创意写作或代码生成任务，建议先在测试集上评估量化后的模型输出质量；对于客服对话或信息抽取等容错率较高的场景，激进量化带来的收益通常远大于质量损失。此外，量化后建议启用温度和 top-p 的采样参数调优，以补偿量化引入的轻微分布偏移。
监控指标与故障排查实践
生产环境中，KV 缓存相关的监控指标是判断系统健康状态的重要依据。核心指标包括：GPU 显存使用率（建议保持在 85% 以下以留有调度余量）、KV 缓存块命中率（反映前缀复用效率，理想值应高于 60%）、请求排队延迟（从请求发起到开始处理的等待时间）以及 token 生成吞吐量。这些指标可以通过 vLLM 内置的 Prometheus 导出端点收集，并配合 Grafana 搭建实时仪表盘。
常见的性能问题往往表现为特定模式：GPU 利用率低但请求排队时间长，通常说明调度器参数配置过于保守或 KV 缓存容量不足；首个 token 延迟高但后续 token 流畅，通常是 prefill 阶段遇到瓶颈，可能是 prompt 过长或 prefix caching 未生效；显存使用率接近 100% 但吞吐量不增加，说明已经触及显存上限，此时应考虑降低并发度或启用量化。建议建立基线测试流程，在系统上线前记录不同负载下的性能指标，以便上线后快速定位异常。
面向未来的优化方向
随着模型上下文窗口持续扩展和 MoE（混合专家）架构的普及，KV 缓存管理正在向分层化、异构化方向发展。分层缓存策略将热数据保留在 GPU 显存、温数据迁移到 CPU 内存、冷数据卸载到 NVMe 或分布式存储；异构调度则根据请求特性动态选择计算节点，例如将长序列请求路由到具备更大显存的 GPU 节点。此外，投机解码（Speculative Decoding）技术通过小模型预测多个后续 token，再由大模型验证，能够在保持输出质量的同时将解码速度提升数倍，这与高效的 KV 缓存管理形成协同效应。
综上所述，KV 缓存管理与调度策略的优化是 LLM 推理系统落地的核心技术环节。通过深入理解 vLLM 的分页注意力机制、合理配置块大小与缓存容量、灵活运用前缀缓存与混合调度，并配合量化与监控手段，可以在保证服务质量的前提下显著提升系统吞吐量与资源利用效率。
资料来源：
- vLLM 官方文档：Paged Attention 与 Hybrid KV Cache Manager 设计文档
- NVIDIA 技术博客：Mastering LLM Techniques: Inference Optimization
- Visalytica：LLM Optimization Techniques & Strategies for 2026