一文读懂 HugePages（大内存页）的原理
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2021-04-24 03:02
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：
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：
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：
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
8int 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 unlink("/mnt/huge/hugepage1");
36
37 return 0;
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：
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。