HugePages（大内存页）实现完全解析-使用大内存页

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：

static int __init hugetlb_init(void) 
{ 
    unsigned long i; 
 
    // 1. 初始化空闲大内存页链表 hugepage_freelists,  
    //    内核使用 hugepage_freelists 链表把空闲的大内存页连接起来, 
    //    为了分析简单，我们可以把 MAX_NUMNODES 当成 1 
    for (i = 0; i < MAX_NUMNODES; ++i)           
        INIT_LIST_HEAD(&hugepage_freelists[i]);  
 
    // 2. max_huge_pages 为系统能够使用的大页内存的数量, 
    //    由系统启动项 hugepages 指定, 
    //    这里主要申请大内存页, 并且保存到 hugepage_freelists 链表中. 
    for (i = 0; i < max_huge_pages; ++i) { 
        if (!alloc_fresh_huge_page()) 
            break; 
    } 
 
    max_huge_pages = free_huge_pages = nr_huge_pages = i; 
 
    return 0; 
}

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：

 static int alloc_fresh_huge_page(void) 
 { 
     static int prev_nid; 
     struct page *page; 
     int nid; 
     ... 
     // 1. 申请一个大的物理内存页... 
     page = alloc_pages_node(nid, htlb_alloc_mask|__GFP_COMP|__GFP_NOWARN, 
                            HUGETLB_PAGE_ORDER); 
 
    if (page) { 
        // 2. 设置释放大内存页的回调函数为 free_huge_page 
        set_compound_page_dtor(page, free_huge_page);  
        ... 
        // 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 
        put_page(page); 
 
        return 1; 
    } 
 
    return 0; 
}

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：

static void free_huge_page(struct page *page) 
{ 
    ... 
    enqueue_huge_page(page);     // 把大内存页放置到空闲大内存页链表中 
    ... 
}

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：

 static void enqueue_huge_page(struct page *page) 
 { 
     int nid = page_to_nid(page); // 我们假设这里一定返回 0 
  
     // 把大内存页添加到空闲链表 hugepage_freelists 中 
     list_add(&page->lru, &hugepage_freelists[nid]); 
  
     // 增加计数器 
     free_huge_pages++; 
    free_huge_pages_node[nid]++; 
}

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：

hugetlb_init() 
      | 
      +——> alloc_fresh_huge_page() 
                      | 
                      |——> alloc_pages_node() 
                      |——> set_compound_page_dtor() 
                      +——> put_page() 
                               | 
                               +——> free_huge_page() 
                                            | 
                                            +——> 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：

const struct file_operations hugetlbfs_file_operations = { 
    .mmap               = hugetlbfs_file_mmap, 
    .fsync              = simple_sync_file, 
    .get_unmapped_area  = hugetlb_get_unmapped_area, 
};

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：

static int  
hugetlbfs_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) 
{ 
    ... 
    vma->vm_flags |= VM_HUGETLB | VM_RESERVED; // 为虚拟内存分区添加 VM_HUGETLB 标志位 
    ... 
    return ret; 
}

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：

asmlinkage void 
__kprobes do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) 
{ 
    ... 
    struct mm_struct *mm; 
    struct vm_area_struct *vma; 
    unsigned long address; 
    ... 
 
    mm = tsk->mm;         // 1. 获取当前进程对应的内存管理对象 
    address = read_cr2(); // 2. 获取触发缺页异常的虚拟内存地址 
 
    ... 
    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 
    ... 
 
    // 4. 调用 handle_mm_fault 函数对异常进行修复 
    fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write); 
    ... 
 
    return; 
}

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：

int handle_mm_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma, 
                    unsigned long address, int write_access) 
{ 
    ... 
    if (unlikely(is_vm_hugetlb_page(vma))) // 虚拟内存分区是否需要使用 HugePages 
        return hugetlb_fault(mm, vma, address, write_access); // 如果使用 HugePages, 就调用 hugetlb_fault 进行处理 
    ... 
}

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：

int hugetlb_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma, 
                  unsigned long address, int write_access) 
{ 
    pte_t *ptep; 
    pte_t entry; 
    int ret; 
 
    ptep = huge_pte_alloc(mm, address); // 1. 找到虚拟内存地址对应的页中间目录项 
    ... 
    entry = *ptep; 
 
    if (pte_none(entry)) { // 如果页中间目录项还没进行映射 
        // 2. 那么调用 hugetlb_no_page 函数进行映射操作 
        ret = hugetlb_no_page(mm, vma, address, ptep, write_access); 
        ... 
        return ret; 
    } 
    ... 
}

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：

static int 
hugetlb_no_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma, 
                unsigned long address, pte_t *ptep, int write_access) 
{ 
    ... 
    page = find_lock_page(mapping, idx); 
    if (!page) { 
        ... 
        // 1. 从空闲大内存页链表 hugepage_freelists 中申请一个大内存页 
        page = alloc_huge_page(vma, address); 
        ... 
    } 
    ... 
    // 2. 通过大内存页的物理地址生成页中间目录项的值 
    new_pte = make_huge_pte(vma, page, ((vma->vm_flags & VM_WRITE) 
                                            && (vma->vm_flags & VM_SHARED))); 
 
    // 3. 设置页中间目录项的值为上面生成的值 
    set_huge_pte_at(mm, address, ptep, new_pte); 
    ... 
    return ret; 
}

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。