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:

内存总是报错(因为大页内存引起的杯具)(1)

linux下32位虚拟地址的空间划分

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:

内存总是报错(因为大页内存引起的杯具)(2)

虚拟内存和物理内存转换

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:

内存总是报错(因为大页内存引起的杯具)(3)

引入TLB

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: 0NUMA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

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