一文读懂 HugePages（大内存页）的原理

时间：2021-09-12 03:45:36

 一文读懂 HugePages（大内存页）的原理

在介绍 HugePages 之前，我们先来回顾一下 Linux 下 虚拟内存 与 物理内存 之间的关系。

  • 物理内存：也就是安装在计算机中的内存条，比如安装了 2GB 大小的内存条，那么物理内存地址的范围就是 0 ~ 2GB。
  • 虚拟内存：虚拟的内存地址。由于 CPU 只能使用物理内存地址，所以需要将虚拟内存地址转换为物理内存地址才能被 CPU 使用，这个转换过程由 MMU(Memory Management Unit，内存管理单元) 来完成。在 32 位的操作系统中，虚拟内存空间大小为 0 ~ 4GB。

我们通过 图1 来描述虚拟内存地址转换成物理内存地址的过程：

一文读懂 HugePages（大内存页）的原理

如 图1 所示，页表 保存的是虚拟内存地址与物理内存地址的映射关系，MMU 从 页表 中找到虚拟内存地址所映射的物理内存地址，然后把物理内存地址提交给 CPU，这个过程与 Hash 算法相似。

内存映射是以内存页作为单位的，通常情况下，一个内存页的大小为 4KB(如图1所示)，所以称为 分页机制。

一、内存映射

 

我们来看看在 64 位的 Linux 系统中(英特尔 x64 CPU)，虚拟内存地址转换成物理内存地址的过程，如图2：

一文读懂 HugePages（大内存页）的原理

从图2可以看出，Linux 只使用了 64 位虚拟内存地址的前 48 位(0 ~ 47位)，并且 Linux 把这 48 位虚拟内存地址分为 5 个部分，如下：

  • PGD索引：39 ~ 47 位(共9个位)，指定在 页全局目录(PGD，Page Global Directory)中的索引。
  • PUD索引：30 ~ 38 位(共9个位)，指定在 页上级目录(PUD，Page Upper Directory)中的索引。
  • PMD索引：21 ~ 29 位(共9个位)，指定在 页中间目录(PMD，Page Middle Directory)中的索引。
  • PTE索引：12 ~ 20 位(共9个位)，指定在 页表(PT，Page Table)中的索引。
  • 偏移量：0 ~ 11 位(共12个位)，指定在物理内存页中的偏移量。

把 图1 中的 页表 分为 4 级：页全局目录、页上级目录、页中间目录 和 页表 目的是为了减少内存消耗(思考下为什么可以减少内存消耗)。

注意：页全局目录、页上级目录、页中间目录 和 页表 都占用一个 4KB 大小的物理内存页，由于 64 位内存地址占用 8 个字节，所以一个 4KB 大小的物理内存页可以容纳 512 个 64 位内存地址。

另外，CPU 有个名为 CR3 的寄存器，用于保存 页全局目录 的起始物理内存地址(如图2所示)。所以，虚拟内存地址转换成物理内存地址的过程如下：

  • 从 CR3 寄存器中获取 页全局目录 的物理内存地址，然后以虚拟内存地址的 39 ~ 47 位作为索引，从 页全局目录 中读取到 页上级目录 的物理内存地址。
  • 以虚拟内存地址的 30 ~ 38 位作为索引，从 页上级目录 中读取到 页中间目录 的物理内存地址。
  • 以虚拟内存地址的 21 ~ 29 位作为索引，从 页中间目录 中读取到 页表 的物理内存地址。
  • 以虚拟内存地址的 12 ~ 20 位作为索引，从 页表 中读取到 物理内存页 的物理内存地址。
  • 以虚拟内存地址的 0 ~ 11 位作为 物理内存页 的偏移量，得到最终的物理内存地址。

二、HugePages 原理

 

上面介绍了以 4KB 的内存页作为内存映射的单位，但有些场景我们希望使用更大的内存页作为映射单位(如 2MB)。使用更大的内存页作为映射单位有如下好处：

  • 减少 TLB(Translation Lookaside Buffer) 的失效情况。
  • 减少 页表 的内存消耗。
  • 减少 PageFault(缺页中断)的次数。

Tips：TLB 是一块高速缓存，TLB 缓存虚拟内存地址与其映射的物理内存地址。MMU 首先从 TLB 查找内存映射的关系，如果找到就不用回溯查找页表。否则，只能根据虚拟内存地址，去页表中查找其映射的物理内存地址。

因为映射的内存页越大，所需要的 页表 就越小(很容易理解);页表 越小，TLB 失效的情况就越少。

使用大于 4KB 的内存页作为内存映射单位的机制叫 HugePages，目前 Linux 常用的 HugePages 大小为 2MB 和 1GB，我们以 2MB 大小的内存页作为例子。

要映射更大的内存页，只需要增加偏移量部分，如 图3 所示：

一文读懂 HugePages（大内存页）的原理

如 图3 所示，现在把偏移量部分扩展到 21 位(页表部分被覆盖了，21 位能够表示的大小范围为 0 ~ 2MB)，所以 页中间目录 直接指向映射的 物理内存页地址。

这样，就可以减少 页表 部分的内存消耗。由于内存映射关系变少，所以 TLB 失效的情况也会减少。

三、HugePages 使用

 

了解了 HugePages 的原理后，我们来介绍一下怎么使用 HugePages。

HugePages 的使用不像普通内存申请那么简单，而是需要借助 Hugetlb文件系统 来创建，下面将会介绍 HugePages 的使用步骤：

1. 挂载 Hugetlb 文件系统

Hugetlb 文件系统是专门为 HugePages 而创造的，我们可以通过以下命令来挂载一个 Hugetlb 文件系统：

  1. $ mkdir /mnt/huge 
  2. $ mount none /mnt/huge -t hugetlbfs 

执行完上面的命令后，我们就在 /mnt/huge 目录下挂载了 Hugetlb 文件系统。

2. 声明可用 HugePages 数量

要使用 HugePages，首先要向内核声明可以使用的 HugePages 数量。/proc/sys/vm/nr_hugepages 文件保存了内核可以使用的 HugePages 数量，我们可以使用以下命令设置新的可用 HugePages 数量：

  1. $ echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages 

上面命令设置了可用的 HugePages 数量为 20 个(也就是 20 个 2MB 的内存页)。

3. 编写申请 HugePages 的代码

要使用 HugePages，必须使用 mmap 系统调用把虚拟内存映射到 Hugetlb 文件系统中的文件，如下代码：

  1. #include <fcntl.h> 
  2. #include <sys/mman.h> 
  3. #include <errno.h> 
  4. #include <stdio.h> 
  5.  
  6. #define MAP_LENGTH (10*1024*1024) // 10MB 
  7.  
  8. int main() 
  9. { 
  10.     int fd; 
  11.     void * addr; 
  12.  
  13.     // 1. 创建一个 Hugetlb 文件系统的文件 
  14.     fd = open("/mnt/huge/hugepage1", O_CREAT|O_RDWR); 
  15.     if (fd < 0) { 
  16.         perror("open()"); 
  17.         return -1; 
  18.     } 
  19.  
  20.     // 2. 把虚拟内存映射到 Hugetlb 文件系统的文件中 
  21.     addr = mmap(0, MAP_LENGTH, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 
  22.     if (addr == MAP_FAILED) { 
  23.         perror("mmap()"); 
  24.         close(fd); 
  25.         unlink("/mnt/huge/hugepage1"); 
  26.         return -1; 
  27.     } 
  28.  
  29.     strcpy(addr, "This is HugePages example..."); 
  30.     printf("%s\n", addr); 
  31.  
  32.     // 3. 使用完成后，解除映射关系 
  33.     munmap(addr, MAP_LENGTH); 
  34.     close(fd); 
  35. 35    unlink("/mnt/huge/hugepage1"); 
  36. 36 
  37. 37    return 0; 
  38. 38 } 

编译上面的代码并且执行，如果没有问题，将会输出以下信息：

  1. This is HugePages example... 

四、总结

 

本文主要介绍了 HugePages 的原理和使用，虽然 HugePages 有很多优点，但也有其不足的地方。比如调用 fork 系统调用创建子进程时，内核使用了 写时复制 的技术(可参考《Linux 写时复制机制原理》一文)，在父子进程内存发生改变时，需要复制更大的内存页，从而影响性能。

原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/oOki5zw_Y0BL0KaehvcGrw

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