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这篇CFSDN的博客文章HugePages（大内存页）实现完全解析由作者收集整理，如果你对这篇文章有兴趣，记得点赞哟.

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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:

1. static int __init hugetlb_init(void) 
2. { 
3.     unsigned long i; 
4.  
5.     // 1. 初始化空闲大内存页链表 hugepage_freelists,  
6.     //    内核使用 hugepage_freelists 链表把空闲的大内存页连接起来, 
7.     //    为了分析简单，我们可以把 MAX_NUMNODES 当成 1 
8.     for (i = 0; i < MAX_NUMNODES; ++i)           
9.         INIT_LIST_HEAD(&hugepage_freelists[i]);  
10.  
11.     // 2. max_huge_pages 为系统能够使用的大页内存的数量, 
12.     //    由系统启动项 hugepages 指定, 
13.     //    这里主要申请大内存页, 并且保存到 hugepage_freelists 链表中. 
14.     for (i = 0; i < max_huge_pages; ++i) { 
15.         if (!alloc_fresh_huge_page()) 
16.             break; 
17.     } 
18.  
19.     max_huge_pages = free_huge_pages = nr_huge_pages = i; 
20.  
21.     return 0; 
22. } 

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:

1.  static int alloc_fresh_huge_page(void) 
2.  { 
3.      static int prev_nid; 
4.      struct page *page; 
5.      int nid; 
6.      ... 
7.      // 1. 申请一个大的物理内存页... 
8.      page = alloc_pages_node(nid, htlb_alloc_mask|__GFP_COMP|__GFP_NOWARN, 
9.                             HUGETLB_PAGE_ORDER); 
10.  
11.     if (page) { 
12.         // 2. 设置释放大内存页的回调函数为 free_huge_page 
13.         set_compound_page_dtor(page, free_huge_page);  
14.         ... 
15.         // 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 
16.         put_page(page); 
17.  
18.         return 1; 
19.     } 
20.  
21.     return 0; 
22. } 

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:

1. static void free_huge_page(struct page *page) 
2. { 
3.     ... 
4.     enqueue_huge_page(page);     // 把大内存页放置到空闲大内存页链表中 
5.     ... 
6. } 

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:

1.  static void enqueue_huge_page(struct page *page) 
2.  { 
3.      int nid = page_to_nid(page); // 我们假设这里一定返回 0 
4.   
5.      // 把大内存页添加到空闲链表 hugepage_freelists 中 
6.      list_add(&page->lru, &hugepage_freelists[nid]); 
7.   
8.      // 增加计数器 
9.      free_huge_pages++; 
10.     free_huge_pages_node[nid]++; 
11. }                                                              

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:

1. hugetlb_init() 
2.       | 
3.       +——> alloc_fresh_huge_page() 
4.                       | 
5.                       |——> alloc_pages_node() 
6.                       |——> set_compound_page_dtor() 
7.                       +——> put_page() 
8.                                | 
9.                                +——> free_huge_page() 
10.                                             | 
11.                                             +——> 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:

1. const struct file_operations hugetlbfs_file_operations = { 
2.     .mmap               = hugetlbfs_file_mmap, 
3.     .fsync              = simple_sync_file, 
4.     .get_unmapped_area  = hugetlb_get_unmapped_area, 
5. }; 

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:

1. static int  
2. hugetlbfs_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) 
3. { 
4.     ... 
5.     vma->vm_flags |= VM_HUGETLB | VM_RESERVED; // 为虚拟内存分区添加 VM_HUGETLB 标志位 
6.     ... 
7.     return ret; 
8. } 

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:

1. asmlinkage void 
2. __kprobes do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) 
3. { 
4.     ... 
5.     struct mm_struct *mm; 
6.     struct vm_area_struct *vma; 
7.     unsigned long address; 
8.     ... 
9.  
10.     mm = tsk->mm;         // 1. 获取当前进程对应的内存管理对象 
11.     address = read_cr2(); // 2. 获取触发缺页异常的虚拟内存地址 
12.  
13.     ... 
14.     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 
15.     ... 
16.  
17.     // 4. 调用 handle_mm_fault 函数对异常进行修复 
18.     fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write); 
19.     ... 
20.  
21.     return; 
22. } 

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:

1. int handle_mm_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma, 
2.                     unsigned long address, int write_access) 
3. { 
4.     ... 
5.     if (unlikely(is_vm_hugetlb_page(vma))) // 虚拟内存分区是否需要使用 HugePages 
6.         return hugetlb_fault(mm, vma, address, write_access); // 如果使用 HugePages, 就调用 hugetlb_fault 进行处理 
7.     ... 
8. } 

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:

1. int hugetlb_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma, 
2.                   unsigned long address, int write_access) 
3. { 
4.     pte_t *ptep; 
5.     pte_t entry; 
6.     int ret; 
7.  
8.     ptep = huge_pte_alloc(mm, address); // 1. 找到虚拟内存地址对应的页中间目录项 
9.     ... 
10.     entry = *ptep; 
11.  
12.     if (pte_none(entry)) { // 如果页中间目录项还没进行映射 
13.         // 2. 那么调用 hugetlb_no_page 函数进行映射操作 
14.         ret = hugetlb_no_page(mm, vma, address, ptep, write_access); 
15.         ... 
16.         return ret; 
17.     } 
18.     ... 
19. } 

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:

1. static int 
2. hugetlb_no_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma, 
3.                 unsigned long address, pte_t *ptep, int write_access) 
4. { 
5.     ... 
6.     page = find_lock_page(mapping, idx); 
7.     if (!page) { 
8.         ... 
9.         // 1. 从空闲大内存页链表 hugepage_freelists 中申请一个大内存页 
10.         page = alloc_huge_page(vma, address); 
11.         ... 
12.     } 
13.     ... 
14.     // 2. 通过大内存页的物理地址生成页中间目录项的值 
15.     new_pte = make_huge_pte(vma, page, ((vma->vm_flags & VM_WRITE) 
16.                                             && (vma->vm_flags & VM_SHARED))); 
17.  
18.     // 3. 设置页中间目录项的值为上面生成的值 
19.     set_huge_pte_at(mm, address, ptep, new_pte); 
20.     ... 
21.     return ret; 
22. } 

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

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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.

原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/ys-sAVbe8bmv21FK2n9PlQ 。

最后此篇关于HugePages（大内存页）实现完全解析的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于HugePages（大内存页）实现完全解析的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章，希望大家以后支持我的博客！ 。