一文讀懂 HugePages（大內存頁）的原理
在介紹 HugePages 之前，我們先來回顧一下 Linux 下 虛擬內存 與 物理內存 之間的關系。
- 物理內存：也就是安裝在計算機中的內存條，比如安裝了 2GB 大小的內存條，那么物理內存地址的范圍就是 0 ~ 2GB。
- 虛擬內存：虛擬的內存地址。由于 CPU 只能使用物理內存地址，所以需要將虛擬內存地址轉換為物理內存地址才能被 CPU 使用，這個轉換過程由 MMU(Memory Management Unit，內存管理單元) 來完成。在 32 位的操作系統中，虛擬內存空間大小為 0 ~ 4GB。
我們通過 圖1 來描述虛擬內存地址轉換成物理內存地址的過程：
如 圖1 所示，頁表 保存的是虛擬內存地址與物理內存地址的映射關系，MMU 從 頁表 中找到虛擬內存地址所映射的物理內存地址，然后把物理內存地址提交給 CPU，這個過程與 Hash 算法相似。
內存映射是以內存頁作為單位的，通常情況下，一個內存頁的大小為 4KB(如圖1所示)，所以稱為 分頁機制。
一、內存映射
我們來看看在 64 位的 Linux 系統中(英特爾 x64 CPU)，虛擬內存地址轉換成物理內存地址的過程，如圖2：
從圖2可以看出，Linux 只使用了 64 位虛擬內存地址的前 48 位(0 ~ 47位)，并且 Linux 把這 48 位虛擬內存地址分為 5 個部分，如下：
- PGD索引：39 ~ 47 位(共9個位)，指定在 頁全局目錄(PGD，Page Global Directory)中的索引。
- PUD索引：30 ~ 38 位(共9個位)，指定在 頁上級目錄(PUD，Page Upper Directory)中的索引。
- PMD索引：21 ~ 29 位(共9個位)，指定在 頁中間目錄(PMD，Page Middle Directory)中的索引。
- PTE索引：12 ~ 20 位(共9個位)，指定在 頁表(PT，Page Table)中的索引。
- 偏移量：0 ~ 11 位(共12個位)，指定在物理內存頁中的偏移量。
把 圖1 中的 頁表 分為 4 級：頁全局目錄、頁上級目錄、頁中間目錄 和 頁表 目的是為了減少內存消耗(思考下為什么可以減少內存消耗)。
注意：頁全局目錄、頁上級目錄、頁中間目錄 和 頁表 都占用一個 4KB 大小的物理內存頁，由于 64 位內存地址占用 8 個字節，所以一個 4KB 大小的物理內存頁可以容納 512 個 64 位內存地址。
另外，CPU 有個名為 CR3 的寄存器，用于保存 頁全局目錄 的起始物理內存地址(如圖2所示)。所以，虛擬內存地址轉換成物理內存地址的過程如下：
- 從 CR3 寄存器中獲取 頁全局目錄 的物理內存地址，然后以虛擬內存地址的 39 ~ 47 位作為索引，從 頁全局目錄 中讀取到 頁上級目錄 的物理內存地址。
- 以虛擬內存地址的 30 ~ 38 位作為索引，從 頁上級目錄 中讀取到 頁中間目錄 的物理內存地址。
- 以虛擬內存地址的 21 ~ 29 位作為索引，從 頁中間目錄 中讀取到 頁表 的物理內存地址。
- 以虛擬內存地址的 12 ~ 20 位作為索引，從 頁表 中讀取到 物理內存頁 的物理內存地址。
- 以虛擬內存地址的 0 ~ 11 位作為 物理內存頁 的偏移量，得到最終的物理內存地址。
二、HugePages 原理
上面介紹了以 4KB 的內存頁作為內存映射的單位，但有些場景我們希望使用更大的內存頁作為映射單位(如 2MB)。使用更大的內存頁作為映射單位有如下好處：
- 減少 TLB(Translation Lookaside Buffer) 的失效情況。
- 減少 頁表 的內存消耗。
- 減少 PageFault(缺頁中斷)的次數。
Tips：TLB 是一塊高速緩存，TLB 緩存虛擬內存地址與其映射的物理內存地址。MMU 首先從 TLB 查找內存映射的關系，如果找到就不用回溯查找頁表。否則，只能根據虛擬內存地址，去頁表中查找其映射的物理內存地址。
因為映射的內存頁越大，所需要的 頁表 就越小(很容易理解);頁表 越小，TLB 失效的情況就越少。
使用大于 4KB 的內存頁作為內存映射單位的機制叫 HugePages，目前 Linux 常用的 HugePages 大小為 2MB 和 1GB，我們以 2MB 大小的內存頁作為例子。
要映射更大的內存頁，只需要增加偏移量部分，如 圖3 所示：
如 圖3 所示，現在把偏移量部分擴展到 21 位(頁表部分被覆蓋了，21 位能夠表示的大小范圍為 0 ~ 2MB)，所以 頁中間目錄 直接指向映射的 物理內存頁地址。
這樣，就可以減少 頁表 部分的內存消耗。由于內存映射關系變少，所以 TLB 失效的情況也會減少。
三、HugePages 使用
了解了 HugePages 的原理后，我們來介紹一下怎么使用 HugePages。
HugePages 的使用不像普通內存申請那么簡單，而是需要借助 Hugetlb文件系統 來創建，下面將會介紹 HugePages 的使用步驟：
1. 掛載 Hugetlb 文件系統
Hugetlb 文件系統是專門為 HugePages 而創造的，我們可以通過以下命令來掛載一個 Hugetlb 文件系統：
- $ mkdir /mnt/huge
- $ mount none /mnt/huge -t hugetlbfs
執行完上面的命令后，我們就在 /mnt/huge 目錄下掛載了 Hugetlb 文件系統。
2. 聲明可用 HugePages 數量
要使用 HugePages，首先要向內核聲明可以使用的 HugePages 數量。/proc/sys/vm/nr_hugepages 文件保存了內核可以使用的 HugePages 數量，我們可以使用以下命令設置新的可用 HugePages 數量：
- $ echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages
上面命令設置了可用的 HugePages 數量為 20 個(也就是 20 個 2MB 的內存頁)。
3. 編寫申請 HugePages 的代碼
要使用 HugePages，必須使用 mmap 系統調用把虛擬內存映射到 Hugetlb 文件系統中的文件，如下代碼：
- #include <fcntl.h>
- #include <sys/mman.h>
- #include <errno.h>
- #include <stdio.h>
- #define MAP_LENGTH (10*1024*1024) // 10MB
- int main()
- {
- int fd;
- void * addr;
- // 1. 創建一個 Hugetlb 文件系統的文件
- fd = open("/mnt/huge/hugepage1", O_CREAT|O_RDWR);
- if (fd < 0) {
- perror("open()");
- return -1;
- }
- // 2. 把虛擬內存映射到 Hugetlb 文件系統的文件中
- addr = mmap(0, MAP_LENGTH, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
- if (addr == MAP_FAILED) {
- perror("mmap()");
- close(fd);
- unlink("/mnt/huge/hugepage1");
- return -1;
- }
- strcpy(addr, "This is HugePages example...");
- printf("%s\n", addr);
- // 3. 使用完成后，解除映射關系
- munmap(addr, MAP_LENGTH);
- close(fd);
- 35 unlink("/mnt/huge/hugepage1");
- 36
- 37 return 0;
- 38 }
編譯上面的代碼并且執行，如果沒有問題，將會輸出以下信息：
- This is HugePages example...
四、總結
本文主要介紹了 HugePages 的原理和使用，雖然 HugePages 有很多優點，但也有其不足的地方。比如調用 fork 系統調用創建子進程時，內核使用了 寫時復制 的技術(可參考《Linux 寫時復制機制原理》一文)，在父子進程內存發生改變時，需要復制更大的內存頁，從而影響性能。
