2. 核心思想

一句话理解

vLLM 把 LLM 推理中的 KV Cache 当成操作系统的虚拟内存来管理：按需分配、按 Block 分页、动态映射，从而在不浪费显存的前提下持续动态批处理请求。

核心抽象

1. Sequence（序列）

一个 Sequence 代表一个用户请求从 prompt 到完整输出的 token 序列。在 vLLM 中，Sequence 是调度的基本单位。

2. Block（块）

Block 是 KV Cache 分页管理的基本单位，通常包含固定数量的 token（常见为 16）。每个 Block 在物理显存中占据连续空间，但一个 Sequence 的多个 Block 可以离散分布。vLLM 的 KVCacheBlock 数据结构包含：

• block_id：物理块唯一标识
• block_hash：块内容哈希，用于 prefix caching
• ref_cnt：引用计数，支持 Copy-on-Write 和跨请求共享

2025 年后出现的混合架构模型（full attention + sliding window + Mamba/线性注意力叠加，如 Qwen3-Next、DeepSeek-V4、Kimi-K3 等）对 Block 管理提出了新要求：不同层类型的 KV 状态形状和复用规则完全不同。vLLM V1 的 KVCacheManager 以 token 坐标为统一视角管理这些异构状态（hybrid KV cache），同一份调度与前缀缓存逻辑可以覆盖多种层类型的组合，无需为每种混合架构单独实现缓存模块。

3. Block Table（块表）

Block Table 记录了每个 Sequence 的逻辑 Block 到物理 Block 的映射关系。它类似操作系统中的页表，是 PagedAttention 的核心数据结构。在 vLLM V1 中，BlockTable 使用二维 buffer 存储：[max_num_reqs, max_num_blocks_per_req]，配合 num_blocks_per_row 记录每个请求实际使用的块数。

4. Scheduler（调度器）

Scheduler 决定在当前 iteration 中，哪些 Sequence 可以进入 GPU 执行。它实现了 Continuous Batching（也称 iteration-level scheduling）。vLLM V1 的调度器更进一步，统一了 prefill 和 decode 阶段：每个请求只有 num_computed_tokens 和 num_tokens_with_spec，调度器在每轮尝试让 num_computed_tokens 追上 num_tokens_with_spec。

设计理念

PagedAttention 的核心洞察

在 Transformer 的 decode 阶段，每次只生成一个新 token，但需要读取之前所有 token 的 Key 和 Value。这些 KV 张量如果静态分配，会留下大量未使用空间。vLLM 论文指出：

"The key-value cache (KV cache) memory for each request is huge and grows and shrinks dynamically."

PagedAttention 的洞察是：

我们不需要为每个请求预先分配一段连续的大块显存。只需要在 token 实际产生时，按 Block 分配，并用 Block Table 记录映射关系。

Continuous Batching 的核心洞察

传统批处理在 batch 内所有请求完成后才释放资源。Continuous Batching 则允许在每个 iteration 边界动态加入新请求或移出已完成请求，从而提高 GPU 利用率。vLLM V1 的调度算法不再区分 prefill 和 decode 阶段，而是统一处理 token 预算，这使得 chunked prefills、prefix caching 和 speculative decoding 可以自然结合。

为什么这样设计？

设计选择	解决的问题	Trade-off
Block 分页	显存碎片、内部碎片	需要维护 Block Table，增加调度复杂度
动态分配	避免预分配浪费	需要更复杂的显存管理
Continuous Batching	提高吞吐、减少尾部延迟	调度开销增大，实现更复杂
Copy-on-Write	支持 beam search 等解码策略	增加了 Block 引用计数管理
Prefix Caching	避免重复计算共享前缀	需要哈希索引和引用计数

与操作系统的类比

操作系统	vLLM
虚拟内存页	KV Cache Block
页表	Block Table
物理页帧	GPU 显存中的物理 Block
按需分页（Demand Paging）	按需分配 Block
Copy-on-Write Fork	Block 共享 + 引用计数
页换出到磁盘（Swap）	KV Cache Offloading 到 CPU/NVMe/S3/远端节点（2026 年分层 offloading）

本章小结

vLLM 的核心思想可以概括为：用分页管理 KV Cache，用迭代级调度持续批处理请求。这两个机制共同解决了 LLM 推理中的显存与吞吐矛盾，而 vLLM V1 通过统一 prefill/decode 调度，进一步提升了系统的灵活性和性能上限。