如何實(shí)現(xiàn)完全解析HugePages

這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)如何實(shí)現(xiàn)完全解析HugePages，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

本文使用 Linux 內(nèi)核 2.6.23 版本

HugePages分配器初始化

在內(nèi)核初始化時，會調(diào)用 hugetlb_init 函數(shù)對 HugePages 分配器進(jìn)行初始化，其實(shí)現(xiàn)如下：

static int __init hugetlb_init(void) {     unsigned long i;      // 1. 初始化空閑大內(nèi)存頁鏈表 hugepage_freelists,      //    內(nèi)核使用 hugepage_freelists 鏈表把空閑的大內(nèi)存頁連接起來,     //    為了分析簡單，我們可以把 MAX_NUMNODES 當(dāng)成 1     for (i = 0; i < MAX_NUMNODES; ++i)                   INIT_LIST_HEAD(&hugepage_freelists[i]);       // 2. max_huge_pages 為系統(tǒng)能夠使用的大頁內(nèi)存的數(shù)量,     //    由系統(tǒng)啟動項(xiàng) hugepages 指定,     //    這里主要申請大內(nèi)存頁, 并且保存到 hugepage_freelists 鏈表中.     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 函數(shù)主要完成兩個工作：

• 初始化空閑大內(nèi)存頁鏈表 hugepage_freelists，這個鏈表保存了系統(tǒng)中能夠使用的大內(nèi)存。

• 為系統(tǒng)申請空閑的大內(nèi)存頁，并且保存到 hugepage_freelists 鏈表中。

我們再來分析下 alloc_fresh_huge_page 函數(shù)是怎么申請大內(nèi)存頁的，其實(shí)現(xiàn)如下：

 static int alloc_fresh_huge_page(void)  {      static int prev_nid;      struct page *page;      int nid;      ...      // 1. 申請一個大的物理內(nèi)存頁...      page = alloc_pages_node(nid, htlb_alloc_mask|__GFP_COMP|__GFP_NOWARN,                             HUGETLB_PAGE_ORDER);      if (page) {         // 2. 設(shè)置釋放大內(nèi)存頁的回調(diào)函數(shù)為 free_huge_page         set_compound_page_dtor(page, free_huge_page);          ...         // 3. put_page 函數(shù)將會調(diào)用上面設(shè)置的 free_huge_page 函數(shù)把內(nèi)存頁放入到緩存隊(duì)列中         put_page(page);          return 1;     }      return 0; }

所以，alloc_fresh_huge_page 函數(shù)主要完成三個工作：

• 調(diào)用 alloc_pages_node 函數(shù)申請一個大內(nèi)存頁(2MB)。

• 設(shè)置大內(nèi)存頁的釋放回調(diào)函數(shù)為 free_huge_page，當(dāng)釋放大內(nèi)存頁時，將會調(diào)用這個函數(shù)進(jìn)行釋放操作。

• 調(diào)用 put_page 函數(shù)釋放大內(nèi)存頁，其將會調(diào)用 free_huge_page 函數(shù)進(jìn)行相關(guān)操作。

那么，我們來看看 free_huge_page 函數(shù)是怎么釋放大內(nèi)存頁的，其實(shí)現(xiàn)如下：

static void free_huge_page(struct page *page) {     ...     enqueue_huge_page(page);     // 把大內(nèi)存頁放置到空閑大內(nèi)存頁鏈表中     ... }

free_huge_page 函數(shù)主要調(diào)用 enqueue_huge_page 函數(shù)把大內(nèi)存頁添加到空閑大內(nèi)存頁鏈表中，其實(shí)現(xiàn)如下：

 static void enqueue_huge_page(struct page *page)  {      int nid = page_to_nid(page); // 我們假設(shè)這里一定返回 0        // 把大內(nèi)存頁添加到空閑鏈表 hugepage_freelists 中      list_add(&page->lru, &hugepage_freelists[nid]);        // 增加計(jì)數(shù)器      free_huge_pages++;     free_huge_pages_node[nid]++; }

從上面的實(shí)現(xiàn)可知，enqueue_huge_page 函數(shù)只是簡單的把大內(nèi)存頁添加到空閑鏈表 hugepage_freelists  中，并且增加計(jì)數(shù)器。

假如我們設(shè)置了系統(tǒng)能夠使用的大內(nèi)存頁為 100 個，那么空閑大內(nèi)存頁鏈表 hugepage_freelists 的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

所以，HugePages 分配器初始化的調(diào)用鏈為：

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

hugetlbfs 文件系統(tǒng)

為系統(tǒng)準(zhǔn)備好空閑的大內(nèi)存頁后，現(xiàn)在來了解下怎樣分配大內(nèi)存頁。在《一文讀懂 HugePages的原理》一文中介紹過，要申請大內(nèi)存頁，必須使用 mmap  系統(tǒng)調(diào)用把虛擬內(nèi)存映射到 hugetlbfs 文件系統(tǒng)中的文件中。

免去繁瑣的文件系統(tǒng)掛載過程，我們主要來看看當(dāng)使用 mmap 系統(tǒng)調(diào)用把虛擬內(nèi)存映射到 hugetlbfs 文件系統(tǒng)的文件時會發(fā)生什么事情。

每個文件描述符對象都有個 mmap 的方法，此方法會在調(diào)用 mmap 函數(shù)映射到文件時被觸發(fā)，我們來看看 hugetlbfs 文件的 mmap  方法所對應(yīng)的真實(shí)函數(shù)，如下：

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

從上面的代碼可以發(fā)現(xiàn)，hugetlbfs 文件的 mmap 方法被設(shè)置為 hugetlbfs_file_mmap 函數(shù)。所以當(dāng)調(diào)用 mmap 函數(shù)映射  hugetlbfs 文件時，將會調(diào)用 hugetlbfs_file_mmap 函數(shù)來處理。

而 hugetlbfs_file_mmap 函數(shù)最主要的工作就是把虛擬內(nèi)存分區(qū)對象的 vm_flags 字段添加 VM_HUGETLB  標(biāo)志位，如下代碼：

static int  hugetlbfs_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) {     ...     vma->vm_flags |= VM_HUGETLB | VM_RESERVED; // 為虛擬內(nèi)存分區(qū)添加 VM_HUGETLB 標(biāo)志位     ...     return ret; }

為虛擬內(nèi)存分區(qū)對象設(shè)置 VM_HUGETLB 標(biāo)志位的作用是：當(dāng)對虛擬內(nèi)存分區(qū)進(jìn)行物理內(nèi)存映射時，會進(jìn)行特殊的處理，下面將會介紹。

虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射

使用 mmap 函數(shù)映射到 hugetlbfs  文件后，會返回一個虛擬內(nèi)存地址。當(dāng)對這個虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行訪問(讀寫)時，由于此虛擬內(nèi)存地址還沒有與物理內(nèi)存地址進(jìn)行映射，將會觸發(fā) 缺頁異常，內(nèi)核會調(diào)用  do_page_fault 函數(shù)對 缺頁異常 進(jìn)行修復(fù)。

我們來看看整個流程，如下圖所示：

所以，最終會調(diào)用 do_page_fault 函數(shù)對 缺頁異常 進(jìn)行修復(fù)操作，我們來看看 do_page_fault 做了什么工作，實(shí)現(xiàn)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. 獲取當(dāng)前進(jìn)程對應(yīng)的內(nèi)存管理對象     address = read_cr2(); // 2. 獲取觸發(fā)缺頁異常的虛擬內(nèi)存地址      ...     vma = find_vma(mm, address); // 3. 通過虛擬內(nèi)存地址獲取對應(yīng)的虛擬內(nèi)存分區(qū)對象     ...      // 4. 調(diào)用 handle_mm_fault 函數(shù)對異常進(jìn)行修復(fù)     fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write);     ...      return; }

上面代碼對 do_page_fault 進(jìn)行了精簡，精簡后主要完成4個工作：

• 獲取當(dāng)前進(jìn)程對應(yīng)的內(nèi)存管理對象。

• 調(diào)用 read_cr2 獲取觸發(fā)缺頁異常的虛擬內(nèi)存地址。

• 通過觸發(fā) 缺頁異常 的虛擬內(nèi)存地址獲取對應(yīng)的虛擬內(nèi)存分區(qū)對象。

• 調(diào)用 handle_mm_fault 函數(shù)對 缺頁異常 進(jìn)行修復(fù)。

我們繼續(xù)來看看 handle_mm_fault 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

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))) // 虛擬內(nèi)存分區(qū)是否需要使用 HugePages         return hugetlb_fault(mm, vma, address, write_access); // 如果使用 HugePages, 就調(diào)用 hugetlb_fault 進(jìn)行處理     ... }

對 handle_mm_fault 函數(shù)進(jìn)行精簡后，邏輯就非常清晰。如果虛擬內(nèi)存分區(qū)使用 HugePages，那么就調(diào)用 hugetlb_fault  函數(shù)進(jìn)行處理(由于我們分析使用 HugePages 的情況，所以剛好進(jìn)入這個分支)。

hugetlb_fault 函數(shù)主要對進(jìn)程的頁表進(jìn)行填充，所以我們先來回顧一下 HugePages 對應(yīng)的頁表結(jié)構(gòu)，如下圖：

從上圖可以看出，使用 HugePages 后，頁中間目錄 直接指向物理內(nèi)存頁。所以，hugetlb_fault 函數(shù)主要就是對 頁中間目錄項(xiàng)  進(jìn)行填充。實(shí)現(xiàn)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. 找到虛擬內(nèi)存地址對應(yīng)的頁中間目錄項(xiàng)     ...     entry = *ptep;      if (pte_none(entry)) { // 如果頁中間目錄項(xiàng)還沒進(jìn)行映射         // 2. 那么調(diào)用 hugetlb_no_page 函數(shù)進(jìn)行映射操作         ret = hugetlb_no_page(mm, vma, address, ptep, write_access);         ...         return ret;     }     ... }

對 hugetlb_fault 函數(shù)進(jìn)行精簡后，主要完成兩個工作：

• 通過觸發(fā) 缺頁異常 的虛擬內(nèi)存地址找到其對應(yīng)的 頁中間目錄項(xiàng)。

• 調(diào)用 hugetlb_no_page 函數(shù)對 頁中間目錄項(xiàng) 進(jìn)行映射操作。

我們再來看看 hugetlb_no_page 函數(shù)怎么對 頁中間目錄項(xiàng) 進(jìn)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. 從空閑大內(nèi)存頁鏈表 hugepage_freelists 中申請一個大內(nèi)存頁         page = alloc_huge_page(vma, address);         ...     }     ...     // 2. 通過大內(nèi)存頁的物理地址生成頁中間目錄項(xiàng)的值     new_pte = make_huge_pte(vma, page, ((vma->vm_flags & VM_WRITE)                                             && (vma->vm_flags & VM_SHARED)));      // 3. 設(shè)置頁中間目錄項(xiàng)的值為上面生成的值     set_huge_pte_at(mm, address, ptep, new_pte);     ...     return ret; }

通過對 hugetlb_no_page 函數(shù)進(jìn)行精簡后，主要完成3個工作：

• 調(diào)用 alloc_huge_page 函數(shù)從空閑大內(nèi)存頁鏈表 hugepage_freelists 中申請一個大內(nèi)存頁。

• 通過大內(nèi)存頁的物理地址生成頁中間目錄項(xiàng)的值。

• 設(shè)置頁中間目錄項(xiàng)的值為上面生成的值。

至此，HugePages 的映射過程已經(jīng)完成。

還有個問題，就是 CPU 怎么知道 頁中間表項(xiàng) 指向的是 頁表 還是 大內(nèi)存頁 呢?

這是因?yàn)?頁中間表項(xiàng) 有個 PSE 的標(biāo)志位，如果將其設(shè)置為1，那么就表明其指向 大內(nèi)存頁 ，否則就指向 頁表。

上述就是小編為大家分享的如何實(shí)現(xiàn)完全解析HugePages了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進(jìn)行理解。如果想知道更多相關(guān)知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。