坑爹的大页内存

内存是计算机中的珍贵的稀有资源,所以为了精细管理,内存管理非常复杂的,一台计算机会同时运行很多应用,为了防止这些应用程序争抢内存,内存的管理是通过操作系统来管理的,操作系统为了方便管理内存,也为了降低应用使用内存的复杂性,引入了虚拟内存的概念( 还是那句话,解决不了的问题引入一个中间层)。

一 虚拟内存

虚拟内存，可以看成内存和磁盘的抽象，通过中断，地址翻译，内存，磁盘文件，内核软件等交互，为每个应用程序均提供一个私有的大的地址空间。

在32位系统上，虚拟内存可以访问的存储空间为：2³²； 64位系统中虚拟存储地址空间范围不是2⁶⁴，而是一般为：2⁴⁸，以为现在还用不了这么大的空间，可以通过命令：

[root@izbp14xswj2tx6qgnz9dllz ~]# cat /proc/cpuinfo 
......
address sizes : 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

结果中：

address sizes : 46 bits physical, 48 bits virtual

表示物理地址为：46位，虚拟地址为48位。

这么大的空间是如何划分的那：

虚拟内存采用页为单位进行存储管理的，典型的页面大小为4KB或1MB，linux下可以通过getconf命令查看。页面大小顺便说一句，有些特殊的场景喜欢设置超级大页，比如在DPDK这种高性能网络处理库中，常设置大页为1GB，目的是为了减少页表的条目，可以让页表完全保存的高速缓存中，提升内存分配效率。

虚拟内存毕竟是虚的，在使用的时候系统会判断对应此虚拟内存页是否有映射的物理内存，如果没有对应的物理内存页，就会发生缺页中断，操作系统就会给这个虚拟内存页分配真正的物理内存，建立映射关系；如果现在物理内存也使用紧张，操作系统就会将不活跃的页换出存到磁盘的swap空间，将物理内存页释放出来，以供使用；如果下次换出的页面需要使用了，又会产生缺页中断，被换入到物理内存中，就这样来回倒腾，由于应用具有局部性，所以一般情况下，应用程序只在少量页面上工作，效率并不低。

[root@localhost ~]# cat /proc/swaps
Filename                Type        Size    Used    Priority
/dev/dm-1                               partition   2097148 0   -1
[root@localhost ~]# free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           2.8G        155M        2.4G        9.8M        234M        2.4G
Swap:          2.0G          0B        2.0G
[root@localhost ~]# swapon -s
文件名             类型      大小  已用  权限
/dev/dm-1                               partition   2097148 0   -1

二 地址翻译

刚才说了，我们应用使用的是虚拟内存，真正使用的时候才会通过操作系统，MMU（内存管理单元）和存在内存中的页表结合来完成虚拟地址和物理地址的翻译工作。页表将虚拟地址映射为物理地址，如下图：

实际情况要更复杂，比如分了多级页表，多级页表可以减少内存的使用，比如在x86的32位地址上通过二级页表完成地址的翻译。

这些页表是保存在内存中的，如果每次都要这么翻译，内存访问的性能肯定是受到一定影响的，数据都可以缓存，页表页同样可以进一步缓存放在SRAM中，MMU中有关于页表的缓存，小的缓存称为TLB（后备缓冲器），加入TLB后，翻译就如下图：

好了问题来了，TLB是一个小的缓存，保存的映射页表项毕竟是有限的。如果4GB虚拟内存空间，每个页面大小位4K，那就有2²⁰个页，如果需要4个字节来标识一个页表项的数据的话那么页表的大小就为4B*1M即4MB大小的空间。

页表大小= 页表项个数*页表项大小

按照上图，如果我们的整个页表都可以保存到TLB中，将提升内存的访问速度，从几十到几百个时钟周期，降低到1到2个时钟周期，页表项的大小一般是固定不变的，因为TLB的大小受限，所以我们只能想办法减少页表项的个数，页表项的个数= 总内存/一个内存页大小，显然，如果我们增加内存页的大小，比如我们设置内存页大小为1GB，那么4GB的内存，只需要4个页表项，很容易将整个页表都保存在内存中，从而提升内存的访问速度。

三 大页内存

上面提到，我们为了提升内存访问速度，我们对于耗费很大的应用比如Oracle等，可以采用大页内存方式，如果程序本身使用的内存很少，采用大页内存效果不明显，还浪费内存。

3.1 查看是否支持

Linux系统采用hugetlbfs 的特殊文件系统来加入对2MB和1GB的大页内存的支持，为了配置，先查看cpu是否支持：

 cat  /proc/cpuinfo |grep --color pse
 cat  /proc/cpuinfo |grep --color pdpe1gb

查看内核是否支持：

 grep  -i hugetlb /boot/config-4.18.0-193.el8.x86_64 
CONFIG_ARCH_WANT_GENERAL_HUGETLB=y
CONFIG_CGROUP_HUGETLB=y
# 以下两种都为y则标识支持
CONFIG_HUGETLBFS=y 
CONFIG_HUGETLB_PAGE=y

cpu的功能列表中含有pse标识支持2MB的内存大页，含有pdpe1gb支持1GB的内存大页。

3.2 查看大页内存使用情况

grep Huge /proc/meminfo
AnonHugePages:   4089856 kB
ShmemHugePages:        0 kB
HugePages_Total:       0
HugePages_Free:        0
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB
Hugetlb:               0 kB

这里面说明，一个大页为：2MB（Hugepagesize: 2048 kB）总共有的内存大页数量为：HugePages_Total: 0 NUMA架构的查看：

[root@localhost ~]# cat /sys/devices/system/node/node*/meminfo|fgrep Huge
Node 0 AnonHugePages:    153600 kB
Node 0 HugePages_Total:     0
Node 0 HugePages_Free:      0
Node 0 HugePages_Surp:      0
Node 1 AnonHugePages:     30720 kB
Node 1 HugePages_Total:     0
Node 1 HugePages_Free:      0
Node 1 HugePages_Surp:      0

可以看到这个NUMA机器上并没有分配大页内存：

HugePages_Total: 0

3.3 分配大页内存

如果分配2MB的大页内存比较简单，可以通过命令预留：

echo 1024> /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

预留1024个2MB的大页即预留2GB的大页内存。

如果是NUMA架构，在每个node节点上预留：

echo 1024> /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
echo 1024> /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages

如果要分配超过1GB的大页内存，需要在linux的启动项中设置和挂载。 1） 安装

yum install libhugetlbfs

2） 分配 更改启动文件，添加：

transparent_hugepage=never default_hugepagesz=1G hugepagesz=1G hugepages=4

分配4个大页内存，每个为1G，在centos6中是修改

/etc/grub.conf

centos7是修改/etc/grub2.cfg文件. 3） mount 将大页内存映射到空目录:

mkdir    /mnt/myhuge
mount -t hugetlbfs nodev /mnt/myhuge

如果要开机自动设置：

vim /etc/fstab
nodev /mnt/myhuge hugetlbfs pagesize=1GB 0 0

像DPDK等有专门的设置工具，开机的时候立刻设置防止内存不够，大页内存需要连续的空间。

3.4 程序使用

#这个是看资料查的，并没有实践过
HUGETLB_MORECORE=yes   LD_PRELOAD=libhugetlbfs.so     ./your_program

四 大页优缺点

优点： 1） 大页内存TLB miss 很少，缺页中断也很少，对于内存的访问性能更好，对于占用大量内存的程序，性能提升比较明显，可以提升达到50%左右。 2） 大页内存的内存页不会swap到磁盘上。

缺点： 1） 必须使用特定的方式使用，比如采用mmap映射或者通过上面方式指定。 2） 程序使用内存小，却申请了大页内存，会造成内存浪费，因为内存分配最小单位是页。

五 大页内存引起的杯具

说了半天，还没有说到大页内存引起了什么杯具那，是这样的，在一台机器上，内存本来就很小，只有4GB内存，查看程序占用内存一直没多少，当时剩余内存也很少就很奇怪。 分析下内存分配：

# cat /proc/meminfo|grep Huge
HugePages_Total:    1035
HugePages_Free:     1033
HugePages_Rsvd:       62
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB

更好的工具是用atop查看，发现大页内存占用了了高达2GB的内存，却没怎么使用。

解决办法

#禁用大页缓存
vi /etc/sysctl.conf

vm.nr_hugepages = 0
vm.nr_hugepages_mempolicy = 0

# 生效
sysctl -p

立竿见影的效果，一下释放了2GB的内存，这可是占系统的内存一半啊，所以大页内存是否使用，还要斟酌，不然白白浪费了大量内存。

如果程序内存占用大，TLB的miss又很多的情况下，可以使用，具体如何查看TLB的miss多那，可以通过perf工具来进行分析：

perf record -e dTLB-loads -e faults -p pid
perf report

六 诗词欣赏

 竹里馆  - - [王维]

独坐幽篁里，弹琴复长啸。
深林人不知，明月来相照。