HugePages（大内存页）实现完全解析
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2021-05-06 17:31
在《一文读懂 HugePages的原理》一文中介绍了 HugePages（大内存页）的原理和使用，现在我们来分析一下 Linux 内核是怎么实现 HugePages 分配的。
本文使用 Linux 内核 2.6.23 版本
HugePages分配器初始化
在内核初始化时，会调用 hugetlb_init 函数对 HugePages 分配器进行初始化，其实现如下：
1static int __init hugetlb_init(void)
2{
3 unsigned long i;
4
5 // 1. 初始化空闲大内存页链表 hugepage_freelists,
6 // 内核使用 hugepage_freelists 链表把空闲的大内存页连接起来,
7 // 为了分析简单，我们可以把 MAX_NUMNODES 当成 1
8 for (i = 0; i < MAX_NUMNODES; ++i)
9 INIT_LIST_HEAD(&hugepage_freelists[i]);
10
11 // 2. max_huge_pages 为系统能够使用的大页内存的数量,
12 // 由系统启动项 hugepages 指定,
13 // 这里主要申请大内存页, 并且保存到 hugepage_freelists 链表中.
14 for (i = 0; i < max_huge_pages; ++i) {
15 if (!alloc_fresh_huge_page())
16 break;
17 }
18
19 max_huge_pages = free_huge_pages = nr_huge_pages = i;
20
21 return 0;
22}
hugetlb_init 函数主要完成两个工作：
初始化空闲大内存页链表
hugepage_freelists，这个链表保存了系统中能够使用的大内存。为系统申请空闲的大内存页，并且保存到
hugepage_freelists链表中。
我们再来分析下 alloc_fresh_huge_page 函数是怎么申请大内存页的，其实现如下：
1static int alloc_fresh_huge_page(void)
2{
3 static int prev_nid;
4 struct page *page;
5 int nid;
6 ...
7 // 1. 申请一个大的物理内存页...
8 page = alloc_pages_node(nid, htlb_alloc_mask|__GFP_COMP|__GFP_NOWARN,
9 HUGETLB_PAGE_ORDER);
10
11 if (page) {
12 // 2. 设置释放大内存页的回调函数为 free_huge_page
13 set_compound_page_dtor(page, free_huge_page);
14 ...
15 // 3. put_page 函数将会调用上面设置的 free_huge_page 函数把内存页放入到缓存队列中
16 put_page(page);
17
18 return 1;
19 }
20
21 return 0;
22}
所以，alloc_fresh_huge_page 函数主要完成三个工作：
调用
alloc_pages_node函数申请一个大内存页（2MB）。设置大内存页的释放回调函数为
free_huge_page，当释放大内存页时，将会调用这个函数进行释放操作。调用
put_page函数释放大内存页，其将会调用free_huge_page函数进行相关操作。
那么，我们来看看 free_huge_page 函数是怎么释放大内存页的，其实现如下：
1static void free_huge_page(struct page *page)
2{
3 ...
4 enqueue_huge_page(page); // 把大内存页放置到空闲大内存页链表中
5 ...
6}
free_huge_page 函数主要调用 enqueue_huge_page 函数把大内存页添加到空闲大内存页链表中，其实现如下：
1static void enqueue_huge_page(struct page *page)
2{
3 int nid = page_to_nid(page); // 我们假设这里一定返回 0
4
5 // 把大内存页添加到空闲链表 hugepage_freelists 中
6 list_add(&page->lru, &hugepage_freelists[nid]);
7
8 // 增加计数器
9 free_huge_pages++;
10 free_huge_pages_node[nid]++;
11}
从上面的实现可知，enqueue_huge_page 函数只是简单的把大内存页添加到空闲链表 hugepage_freelists 中，并且增加计数器。
假如我们设置了系统能够使用的大内存页为 100 个，那么空闲大内存页链表 hugepage_freelists 的结构如下图所示：
所以，HugePages 分配器初始化的调用链为：
1hugetlb_init()
2 |
3 +——> alloc_fresh_huge_page()
4 |
5 |——> alloc_pages_node()
6 |——> set_compound_page_dtor()
7 +——> put_page()
8 |
9 +——> free_huge_page()
10 |
11 +——> enqueue_huge_page()
hugetlbfs 文件系统
为系统准备好空闲的大内存页后，现在来了解下怎样分配大内存页。在《一文读懂 HugePages的原理》一文中介绍过，要申请大内存页，必须使用 mmap 系统调用把虚拟内存映射到 hugetlbfs 文件系统中的文件中。
免去繁琐的文件系统挂载过程，我们主要来看看当使用 mmap 系统调用把虚拟内存映射到 hugetlbfs 文件系统的文件时会发生什么事情。
每个文件描述符对象都有个 mmap 的方法，此方法会在调用 mmap 函数映射到文件时被触发，我们来看看 hugetlbfs 文件的 mmap 方法所对应的真实函数，如下：
1const struct file_operations hugetlbfs_file_operations = {
2 .mmap = hugetlbfs_file_mmap,
3 .fsync = simple_sync_file,
4 .get_unmapped_area = hugetlb_get_unmapped_area,
5};
从上面的代码可以发现，hugetlbfs 文件的 mmap 方法被设置为 hugetlbfs_file_mmap 函数。所以当调用 mmap 函数映射 hugetlbfs 文件时，将会调用 hugetlbfs_file_mmap 函数来处理。
而 hugetlbfs_file_mmap 函数最主要的工作就是把虚拟内存分区对象的 vm_flags 字段添加 VM_HUGETLB 标志位，如下代码：
1static int
2hugetlbfs_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
3{
4 ...
5 vma->vm_flags |= VM_HUGETLB | VM_RESERVED; // 为虚拟内存分区添加 VM_HUGETLB 标志位
6 ...
7 return ret;
8}
为虚拟内存分区对象设置 VM_HUGETLB 标志位的作用是：当对虚拟内存分区进行物理内存映射时，会进行特殊的处理，下面将会介绍。
虚拟内存与物理内存映射
使用 mmap 函数映射到 hugetlbfs 文件后，会返回一个虚拟内存地址。当对这个虚拟内存地址进行访问（读写）时，由于此虚拟内存地址还没有与物理内存地址进行映射，将会触发 缺页异常，内核会调用 do_page_fault 函数对 缺页异常 进行修复。
我们来看看整个流程，如下图所示：
所以，最终会调用 do_page_fault 函数对 缺页异常 进行修复操作，我们来看看 do_page_fault 做了什么工作，实现如下：
1asmlinkage void
2__kprobes do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
3{
4 ...
5 struct mm_struct *mm;
6 struct vm_area_struct *vma;
7 unsigned long address;
8 ...
9
10 mm = tsk->mm; // 1. 获取当前进程对应的内存管理对象
11 address = read_cr2(); // 2. 获取触发缺页异常的虚拟内存地址
12
13 ...
14 vma = find_vma(mm, address); // 3. 通过虚拟内存地址获取对应的虚拟内存分区对象
15 ...
16
17 // 4. 调用 handle_mm_fault 函数对异常进行修复
18 fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write);
19 ...
20
21 return;
22}
上面代码对 do_page_fault 进行了精简，精简后主要完成4个工作：
获取当前进程对应的内存管理对象。
调用
read_cr2获取触发缺页异常的虚拟内存地址。通过触发
缺页异常的虚拟内存地址获取对应的虚拟内存分区对象。调用
handle_mm_fault函数对缺页异常进行修复。
我们继续来看看 handle_mm_fault 函数的实现，代码如下：
1int handle_mm_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
2 unsigned long address, int write_access)
3{
4 ...
5 if (unlikely(is_vm_hugetlb_page(vma))) // 虚拟内存分区是否需要使用 HugePages
6 return hugetlb_fault(mm, vma, address, write_access); // 如果使用 HugePages, 就调用 hugetlb_fault 进行处理
7 ...
8}
对 handle_mm_fault 函数进行精简后，逻辑就非常清晰。如果虚拟内存分区使用 HugePages，那么就调用 hugetlb_fault 函数进行处理（由于我们分析使用 HugePages 的情况，所以刚好进入这个分支）。
hugetlb_fault 函数主要对进程的页表进行填充，所以我们先来回顾一下 HugePages 对应的页表结构，如下图：
从上图可以看出，使用 HugePages 后，页中间目录 直接指向物理内存页。所以，hugetlb_fault 函数主要就是对 页中间目录项 进行填充。实现如下：
1int hugetlb_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
2 unsigned long address, int write_access)
3{
4 pte_t *ptep;
5 pte_t entry;
6 int ret;
7
8 ptep = huge_pte_alloc(mm, address); // 1. 找到虚拟内存地址对应的页中间目录项
9 ...
10 entry = *ptep;
11
12 if (pte_none(entry)) { // 如果页中间目录项还没进行映射
13 // 2. 那么调用 hugetlb_no_page 函数进行映射操作
14 ret = hugetlb_no_page(mm, vma, address, ptep, write_access);
15 ...
16 return ret;
17 }
18 ...
19}
对 hugetlb_fault 函数进行精简后，主要完成两个工作：
通过触发
缺页异常的虚拟内存地址找到其对应的页中间目录项。调用
hugetlb_no_page函数对页中间目录项进行映射操作。
我们再来看看 hugetlb_no_page 函数怎么对 页中间目录项 进行填充：
1static int
2hugetlb_no_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
3 unsigned long address, pte_t *ptep, int write_access)
4{
5 ...
6 page = find_lock_page(mapping, idx);
7 if (!page) {
8 ...
9 // 1. 从空闲大内存页链表 hugepage_freelists 中申请一个大内存页
10 page = alloc_huge_page(vma, address);
11 ...
12 }
13 ...
14 // 2. 通过大内存页的物理地址生成页中间目录项的值
15 new_pte = make_huge_pte(vma, page, ((vma->vm_flags & VM_WRITE)
16 && (vma->vm_flags & VM_SHARED)));
17
18 // 3. 设置页中间目录项的值为上面生成的值
19 set_huge_pte_at(mm, address, ptep, new_pte);
20 ...
21 return ret;
22}
通过对 hugetlb_no_page 函数进行精简后，主要完成3个工作：
调用
alloc_huge_page函数从空闲大内存页链表hugepage_freelists中申请一个大内存页。通过大内存页的物理地址生成页中间目录项的值。
设置页中间目录项的值为上面生成的值。
至此，HugePages 的映射过程已经完成。
还有个问题，就是 CPU 怎么知道
页中间表项指向的是页表还是大内存页呢？这是因为
页中间表项有个PSE的标志位，如果将其设置为1，那么就表明其指向大内存页，否则就指向页表。
总结
本文介绍了 HugePages 实现的整个流程，当然本文也只是介绍了申请内存的流程，释放内存的流程并没有分析，如果有兴趣的话可以自己查阅源码。