【Debian百科】巨页

巨页

为什么使用巨页？

当一个进程使用一些内存的时候，CPU就把那部分内存标记成已被该进程使用的。为了提高效率，CPU会按4K字节块（它在很多平台上是默认值）分配内存。这些块被称作页。这些页可以被交换到磁盘上，等等。

因为进程地址空间是虚拟的，CPU和操作系统就得记住哪一页属于哪个进程，存储在什么地方。显然的，拥有的页面越多，就得花费越多的时间去寻找那些内存被映射的地方。如果一个进程使用了1GB的内存，就得查找262144（1GB/4K）个条目。如果一个页表条目占用8字节，那么就得查找2MB（262144*8）。

当前大多数CPU体系结构支持更大的页（这样CPU/OS要查找的条目就少了），这些页在Linux上被称作巨页（Huge pages），在BSD上被称作超级页（Super Pages），在Windows上被称作大页（Large Pages），它们都是同样的东西。

目录

1. 启用HugeTlbPage
2. limits.conf
3. Multiple huge page size support
   1. arm64
   2. x86_64
4. 获取信息
5. 巨页大小
6. 工具
7. 支持巨页的应用
   1. MySQL
   2. Java（Sun, OpenJDK）
   3. Memcached
   4. PostgreSQL
8. 虚拟化
9. 参见

想知道更多关于hugetlbpage的信息，请阅读这篇文档。

启用HugeTlbPage

目前，没有标准的方式来启用HugeTlbfs，主要因为FHS（文件系统构架标准）中没有这种虚拟文件系统的相关规定。参见572733。（Fedora把它挂载在/dev/hugepages上了，所以如果你在网上看到一些使用这个位置的例子，就不要惊讶了）

Debian是从DebianLenny（实际上是从2.6.23）开始支持“巨页表”（HugeTlb）的。在ibm.com上可以找到详细的大页介绍。

1. 创建一个巨页的用户组，并且获取它的GID（是这个例子，2021），然后把你自己添加到这个组里。
   注意：libvirt并不需要这样做。（参见/etc/libvirt/qemu.conf）

   % groupadd my-hugetlbfs
   
   % getent group my-hugetlbfs
   my-hugetlbfs:x:2021:
   
   % adduser franklin my-hugetlbfs
   Adding user `franklin' to group `my-hugetlbfs' ...
   Adding user franklin to group my-hugetlbfs
   Done. 

2. 编辑/etc/sysctl.conf，添加这个文本来指定你想要预留的页数（参见pages-size）。

   # Allocate 256*2MiB for HugePageTables (YMMV)
   vm.nr_hugepages = 256
   
   # Members of group my-hugetlbfs(2021) can allocate "huge" Shared memory segment 
   vm.hugetlb_shm_group = 2021 

3. 给这个文件系统创建一个挂载点。

   % mkdir /hugepages

4. 添加这一行代码到/etc/fstab（mode=1770准许组内的任何人创建文件，但是不能给彼此之间的文件解除链接或者重命名）。

   hugetlbfs /hugepages hugetlbfs mode=1770,gid=2021 0 0

5. 重启（这是再内存碎片化之前分配巨页的最可靠方法。并不是必须要重启，你可以尝试执行 sysctl -p 来应用变化。如果 grep "Huge" /proc/meminfo 没有显示所有页面，你可以尝试执行 sync ; echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches （3表示清除页面缓存，dentries和inodes）来释放缓存，然后再次尝试执行 sysctl -p）。

limits.conf

你应该配置一个用户可以锁定的内存数量，这样一个应用程序就不会通过锁定所有内存而导致操作系统崩溃。注意并不是只有巨页可以可以被锁定，内存中的任何页面都可以被锁定。你应该允许进程锁定多一点的内存（只是巨页空间）。

## Get huge-page size:
% grep "Hugepagesize:" /proc/meminfo
Hugepagesize:       4096 kB

## What's the current limit
% ulimit -H -l
64

## Just add them up... (how many pages do you want to allocate?)

参见Limits（ulimit -l 和/etc/security/limits.conf中的memlock）。

Multiple huge page size support

某些架构（如ia64）可以有多倍的和（或）可配置的（巨）页尺寸。

（TODO）

参见：

• 在文件编制中的 hugetlbpage.txt 中的启动参数和挂载选项。

arm64

Debian arm64 内核（用4KB标准PAGE_SIZE运行）支持2MB和1GB的 HugeTLB 页大小。一种是在内核命令行上指定参数，从而使启动时预分配1GB的 HugeTLB 页面。下面的文本将预分配10*1GB的巨页。

hugepagesz=1G hugepages=10

如果某人决定用 CONFIG_ARM64_64K_PAGES=y 来构建他自己的 Debian arm64 内核，那么只可以使用512MB的 HugeTLB（和THP）页面。这些在运行时可用。

x86_64

依据处理器，在 x86_64 架构上至少有两种不同的巨页尺寸：2MB和1GB。如果CPU支持2MB页面，它会在cpuinfo中有 PSE 旗标；如果支持1GB页面，它就会有 PDPE1GB 旗标。/proc/cpuinfo 显示了是否设置了这两种旗标。

如果下面这个命令返回非空字符串，就支持2MB页面。

% grep pse /proc/cpuinfo | uniq
flags           : [...] pse [...]

如果下面这个命令返回非空字符串，就支持1GB页面。

% grep pdpe1gb /proc/cpuinfo | uniq
flags           : [...] pdpe1gb [...]

如果想要二者都可用，那么可能需要在启动时激活它们。下面的内核启动参数启用1GB页面并且创建了一个1GB页面池。

hugepagesz=1GB hugepages=1

在启动后，巨页池看起来像下面这样：

% hugeadm --pool-list
      Size  Minimum  Current  Maximum  Default
   2097152        0        0        0        *
1073741824        1        1        1

获取信息

你可以用hugeadm获取到一张可用巨页尺寸列表：

% hugeadm --page-sizes-all
2097152
1073741824

hugeadm也显示每个可用尺寸的已分配数量：

% hugeadm --pool-list
      Size  Minimum  Current  Maximum  Default
   2097152        0        0        0        *
1073741824        1        1        1

另一种获取默认巨页尺寸的当前可用/已用页的方法是查看/proc/meminfo：

% grep Huge /proc/meminfo 
HugePages_Total:     256
HugePages_Free:      256
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       4096 kB

（想了解关于巨页的更多信息，请阅读文献/vm/hugetlbpage.txt）

标准Debian内核启用了HUGETLB（Lenny呢？Xen呢？）：

% grep HUGETLB /boot/config-$(uname -r)
CONFIG_HUGETLBFS=y
CONFIG_HUGETLB_PAGE=y

各种运行时设置（参见文献资料）。

% grep -R "" /sys/kernel/mm/hugepages/ /proc/sys/vm/*huge*
/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-4096kB/nr_hugepages:256
/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-4096kB/nr_overcommit_hugepages:0
/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-4096kB/free_hugepages:256
/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-4096kB/resv_hugepages:0
/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-4096kB/surplus_hugepages:0
/proc/sys/vm/hugepages_treat_as_movable:0
/proc/sys/vm/hugetlb_shm_group:0
/proc/sys/vm/nr_hugepages:256
/proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages:0

巨页尺寸

体系架构	巨页尺寸
arm64	4K, 2M, 1G（或者64K和512M，如果用CONFIG_ARM64_64K_PAGES=y构建自己的内核的话）
i386	4M, 4M（在PAE模式下是2M）
ia64	4K, 8K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M, 256M
ppc64	4K, 16M

工具

 libhugetlbfs库提供了简单的访问巨页内存的方式。它还包含一些用户空间工具来提升巨页的易用性，进行环境设置和控制等。

http://libhugetlbfs.ozlabs.org/
533708 - ITP: libhugetlbfs -- Initial package request
http://www.ibm.com/developerworks/wikis/display/LinuxP/libhuge+short+and+simple

PostgreSQL的HugeTLB（和其他应用）非正式

http://oss.linbit.com/hugetlb/

启用巨页的应用程序

一个应用程序可以通过两种不同的方式分配/使用HugeTlbPage：

1. 拥有适当的权限下，挂载了hugetlbfs后，使用系统调用mmap；
2. 共享内存段（在MAP_TLB环境下使用系统调用shmat/shmget或者mmap）必须是一个组成员，配置在/proc/sys/vm/hugetlb_shm_group。

应用程序	hugetlbfs	共享内存
QEMU/KVM	是	否
MySQL	否	是
Java	否	是

MySQL

（TODO），参见：

• 启用大页支持：http://dev.mysql.com/doc/refman/5.1/en/large-page-support.html

Linux HugeTLBfs：提升MySQL数据库应用程序性能

http://www.cyberciti.biz/tips/linux-hugetlbfs-and-mysql-performance.html (未测试)

Java（Sun, OpenJDK）

Sun和OpenJDK可以使用大页。

• sun-java6-bin - Sun Java(TM)运行时环境（JRE）6（体系架构依赖的文件）
• openjdk-6-jre-headless - OpenJDK Java运行时，使用 Hotspot JIT（无头的）

（TODO）

总的来说，要启用巨页，似乎得使用 -XX:+UseLargePages 选项运行java。Java堆（-Xmx）的上限尺寸应该可以容纳你预留的巨页；使用 ulimit -l 和/或 /etc/security/limits.conf 中的memlock。

参见：

1. 大内存页的Java支持 - Sun：http://java.sun.com/javase/technologies/hotspot/largememory.jsp
2. 大页内存分配的配置 - Linux上的 Java v6 的 IBM 用户指南：http://publib.boulder.ibm.com/infocenter/javasdk/v6r0/index.jsp?topic=/com.ibm.java.doc.user.lnx.60/user/alloc_large_page.html

可能的错误：

• 功能不全的 /proc/sys/kernel/shmmax？
• 不在组中却定义在 /proc/sys/vm/hugetlb_shm_group

% java -XX:+UseLargePages 
Java HotSpot(TM) Server VM warning: Failed to reserve shared memory (errno = 1).
Java HotSpot(TM) Server VM warning: Failed to reserve shared memory (errno = 22).

 Memcached

memcached能够使用巨页，请阅读手册页：

memcached -L

尝试使用大内存页（如果可用）。增加内存页尺寸可以减少TLB漏掉的数量，并提升性能。为了从操作系统里获取大页，memcached将会把所有的条目缓存分配到一个大页块中。只有你的操作系统支持大页的时候才可用。

PostgreSQL

PostgreSQL 从版本9.4开始支持巨页。关于之前的版本，参见上面的hugetlblib。

虚拟化

巨页虚拟化的一些建议：

1. 在虚拟机上启用巨页之前，你必须确保你的虚拟化工具可以处理它；
2. 对于虚拟化工具来说，它的客户端是否支持巨页，和它本身是否支持巨页，可能是两个不同的方面。

KVM

（TODO），参见：

• http://fedoraproject.org/wiki/Features/KVM_Huge_Page_Backed_Memory
• 用hugetlbfs支持你的KVM客户来获得性能的提升：http://www.linux-kvm.com/content/get-performance-boost-backing-your-kvm-guest-hugetlbfs (未测试)

Xen

（TODO）

Xen从哪个版本开始支持巨页，还有它如何使用，都不是很清楚。

• 参见：http://zhigang.org/wiki/XenHugePages

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说明：本文译自https://wiki.debian.org/Hugepages。由于英语水平有限，语句不通顺处还请谅解。