图解｜透明大页原理与实现-轻识

在《图解｜Linux大内存页原理》一文中，我们介绍过 标准大页 的原理与其优点，现在我们回顾一下标准大页有哪些优点：

减少 转译后备缓冲区（Translation Lookaside Buffer，TLB） 的失效情况，TLB 是 CPU 为了加速虚拟内存地址转换成物理内存地址而增加的缓冲区。
减少 页表 的内存消耗。
减少 缺页异常（page fault） 发生的次数，缺页异常处理例程需要对虚拟内存地址进行映射，而这个映射过程也是一个耗时的过程。

可以看出，使用 大页 能够加速系统的运行效率。

但是 标准大页 使用起来比较麻烦，需要挂载 Hugetlb 文件系统，并且需要使用 mmap 系统调用来对大页进行映射。为了解决标准大页使用麻烦的问题，红帽子（Red Hat）公司开发出 透明大页（Transparent Huge Pages，THP） 功能。

要使用透明大页功能，只需要使用以下命令开启即可：

echo always > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled

开启了透明大页功能后，内核将会创建一个名为 khugepaged 的内核线程。

khugepaged 内核线程会不断扫描进程的虚拟内存空间（vma，virtual memory area），如果发现存在 2MB 地址连续的虚拟地址空间，那么判断其是否满足转换成大页的条件，如果满足则将这些物理内存合并成一个大页。如下图所示：

相对于使用繁琐的标准大页，透明大页显得更加友好。

透明大页原理

操作系统管理内存时，是以页作为单位的，常用的页大小有 4KB、2MB 和 1GB。4KB 的内存页被称为普通内存页，而 2MB 和 1GB 的内存页被称为大页。

通常来说，4KB 的内存页使用频率最多，但有时候为了减少缺页异常发生的次数（提升程序的性能），所以会使用 2MB 或者 1GB 的内存页来代替 4KB 的内存页。

透明大页的核心思想很简单：不断扫描进程的虚拟内存区间（vma），如果发现大小超过 2MB 的内存区间，将会判断其是否满足转换成大页的条件，如果满足则将这些物理内存合并成一个大页。

我们知道每个进程都有一个 mm_struct 结构，用来管理进程的虚拟内存空间和映射物理地址的页表等信息，而虚拟内存的区间是通过 vm_area_struct 结构（vma）来管理的。

透明大页的核心逻辑步骤：

khugepaged 内核线程会扫描进程的虚拟内存空间，如果发现内存区间大于等于 2MB，并且满足转换成大页的条件，那么将会进入下面的步骤。