Linux内存管理 - 大页 (二）

为了解决页表项过多的问题， Linux提供了两种机制， 就是多级页表和大页。 

一. 在阐述大页的优点之前， 先来看一下内存映射的页表结构。 

　　PGD:  Page Global Directory

　　PUD: Page  Upper Directory

　　PMD: Page Middle Directory

　　PTE:  Page Table Entry

二. TLB

　　TLB: Translation Lookaside Buffer  旁路转换缓冲， 或称为页表缓冲。 里面存放的是一些页表文件（虚拟地址到物理地址的转换表）， 又称为快表技术

如果匹配到逻辑地址就可以迅速找到页框号， 通过页框号与逻辑地址的后12位的偏移得到最终的物理地址。 如果没有在TLB中匹配到逻辑地址， 就出现TLB不命中 （TLB Miss)， 需要通过常规的页表查找， 如果TLB足够大， 那么这个转换就会变得迅速， 但是事实是TLB的容量非常小， 一般只有几十项到几百项不等。

举个例子， 假设一个应用程序需要使用8KB的物理内存， 如果使用常规4KB并且使TLB总能命中， 那么至少需要在TLB存放两个表项。 但是如果需要512个页， 那就需要512个表项， 但是TLB容量有限， 随着程序的变大和使用内存的增加， 势必会增加TLB的使用项， 最后导致TLB出现不命中的情况。 

三. 大页的优点 

• 降低TLB Miss的概率： 大页覆盖更大的连续虚拟地址范围， 使得CPU的TLB命中率大大提高， 减少了遍历页表以从虚拟地址获取物理地址的次数
• 减少walk page table的长度： 由于大页的页表级数比普通页面级数小1， 所以走表时会高效一些。 

四. 大页的缺点

• 静态大页要预先分配并重启主机生效
• 如果分配不当， 有可能造成严重问题 （大页未能使用， 浪费内存；系统内存不足或者交换过多；极高的sys cpu使用率）

五. 大页的分类

• 静态大页（persistent hugepage): 通过用户自行控制它的分配， 释放， 使用。 
• 透明大页 （transparent hugepage): 由系统自己控制透明大页的分配， 释放， 使用。 若用户开启透明大页功能， 系统会在后台运行一个khugepage的内核线程扫描系统内存， 将合适的内存合并成为大页， 用户无感。