Linux内存管理中HVO的实现原理

Linux阅码场 2024-10-22 242

描述

以下文章来源于Linux内核远航者，作者Linux内核远航者

开场白

环境：

处理器架构：arm64

内核源码：linux-6.6.29

ubuntu版本：20.04.1

代码阅读工具：vim+ctags+cscope

本文主要介绍内存管理中的HVO（HugeTLB Vmemmap Optimization）特性，通过HVO可以节省管理HugeTLB 页面元数据（struct page）的内存占用，甚至在缓存的空间局部性表现上也更好。本文通过图解结合源代码分析的方式让大家彻底理解HVO的实现原理，且本文主要以2M大小的HugeTLB 页面为例讲解。

1.术语解释

文中会提到三种物理页面，为了便于阐述，后面统一使用以下几个概念讲解：

例如2M大小的hugetlb页面，struct page结构大小为64Byte，则需要 2M/4K = 512个struct page结构来管理hugetlb页面，那么这些struct page结构占用的物理内存为：512*64 = 32768Byte = 8个4k页面，即是page0 - page7。

head vmemmap page：hugetlb页面使用struct page结构占用的第一个物理页面， 2M大小的hugetlb页面则head vmemmap page就是page0。

tail vmemmap page：可以优化释放掉的struct page结构占用的物理页面，2M大小的hugetlb页面则tail vmemmap page就是page1 - page7。

new head vmemmap page：如果vmemmap page是连续的物理页面，假如只释放掉tail vmemmap page，可能会破坏掉连续性，HVO中会申请新的head vmemmap page，然后将head vmemmap page拷贝到这个页面，最后同时释放掉所有的struct page结构占用的物理页面， 2M大小的hugetlb页面则释放掉page0 - page7。

2.HVO优化原理及触发场景

2.1 HVO优化原理

下面我们从内核源码角度来看以下HVO优化原理。

//mm/hugetlb_vmemmap.c
hugetlb_vmemmap_optimize  
->vmemmap_start = (unsigned long)head //hugetlb页面的head vmemmap page所在地址。
->vmemmap_should_optimize //判断当前的hugetlb页面大小是否适合做HVO优化，
没有打开vmemmap_optimize_enabled或者hugetlb页面使用struct page结构占用的
内存小于一个4k页面不做优化。
->  vmemmap_end     = vmemmap_start + hugetlb_vmemmap_size(h);//获得优化的tail vmemmap page地址
 vmemmap_reuse   = vmemmap_start;//重复映射使用head vmemmap page地址
 vmemmap_start   += HUGETLB_VMEMMAP_RESERVE_SIZE;//从第一个tail vmemmap page开始优化

->vmemmap_remap_free(vmemmap_start, vmemmap_end, vmemmap_reuse) //释放掉hugetlb页面使用struct page结构冗余的物理页面。
 ->walk.reuse_page = alloc_pages_node(nid, gfp_mask, 0);
        if (walk.reuse_page) {
                copy_page(page_to_virt(walk.reuse_page),
                        ¦ (void *)walk.reuse_addr);
                list_add(&walk.reuse_page->lru, &vmemmap_pages);
        }
       //优化1：申请一个新的4k页面，即new head vmemmap page，然后将head vmemmap page拷贝到这个页面，然后将new head vmemmap page加入vmemmap_pages链表
    （用于失败释放此页面使用）

 ->mmap_read_lock(&init_mm) //读方式获得init_mm的mmap_lock
 ->vmemmap_remap_range //遍历页表，释放冗余的物理页面（由于优化1，这里会释放掉所有的管理hugetlb页面使用的struct page结构占用的内存）。
 ->mmap_read_unlock(&init_mm) //读方式释放init_mm的mmap_lock
 ->free_vmemmap_page_list(&vmemmap_pages)//释放调用hugetlb页面使用struct page结构冗余的物理页面（例如2M大小的hugetlb页面，释放掉8页（page0-page7））
->SetHPageVmemmapOptimized(head) //为hugetlb页面设置HVO优化标记，定义在include/linux/hugetlb.h （HPAGEFLAG(VmemmapOptimized, vmemmap_optimized)）

vmemmap_remap_pte的核心代码如下：
 static void vmemmap_remap_pte(pte_t *pte, unsigned long addr,
                        ¦     struct vmemmap_remap_walk *walk)
{
        /*
        ¦* Remap the tail pages as read-only to catch illegal write operation
        ¦* to the tail pages.
        ¦*/
        pgprot_t pgprot = PAGE_KERNEL_RO; //映射tail vmemmap page为只读
        struct page *page = pte_page(ptep_get(pte)); //通过页表项获得struct page指针
        pte_t entry;

        /* Remapping the head page requires r/w */
        if (unlikely(addr == walk->reuse_addr)) { //如果当前的虚拟地址是reuse_addr
                pgprot = PAGE_KERNEL; ////映射head vmemmap page为可读可写
                list_del(&walk->reuse_page->lru);//之前在hugetlb_vmemmap_optimize中将这个new head vmemmap page加入了vmemmap_pages，现在删除，供页面共享使用。

                /*
                ¦* Makes sure that preceding stores to the page contents from
                ¦* vmemmap_remap_free() become visible before the set_pte_at()
                ¦* write. 
                ¦*/
                smp_wmb();
        }

        entry = mk_pte(walk->reuse_page, pgprot);//重要步骤：页表映射尾页到头页上！
        list_add_tail(&page->lru, walk->vmemmap_pages);//将需要释放的页面加入vmemmap_pages链表
        set_pte_at(&init_mm, addr, pte, entry);//设置页表项
}

优化之前图解：

Linux

注意：数据建立页表映射是在内核初始化阶段的start_kernel->setup_arch->paging_init来做的线性页表映射，而元数据（struct page）建立页表映射是在内核初始化阶段的start_kernel->bootmem_init->sparse_init->sparse_init_nid->__populate_section_memmap来做，通过virt_to_page可以获得数据的元数据地址，后面HVO优化是改变之前的元数据的映射。

优化之后图解：

Linux

可以看出对于2M大小的hugetlb页面优化之后节省元数据（struct page）占用内存：7/8= 87.5%，如果是 1G 的大页，可以节约的元数据（struct page）内存占用近乎 100%（读者可自行计算）。

2.2 HVO触发场景

HVO触发场景主要为需要申请hugetlb页面的时候：举例如下，

场景1：解析cmdline的hugepages=参数

如hugepages=100，启动阶段申请100个2M的hugetlb页面到大页池。

mm/hugetlb.c
__setup("hugepages=", hugepages_setup) 
-> hugepages_setup
 -> hugetlb_hstate_alloc_pages
  -> alloc_pool_huge_page
   -> alloc_fresh_hugetlb_folio //分配2M的hugetlb页面
    -> prep_new_hugetlb_folio
     -> __prep_new_hugetlb_folio
      -> hugetlb_vmemmap_optimize //触发HVO优化

场景2：写相关hugetlb页面的sys节点，增大相关页池中hugetlb页面数量

如：echo 1000 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-64B/nr_hugepages

mm/hugetlb.c
nr_hugepages_store
->nr_hugepages_store_common
 ->set_max_huge_pages
  ->alloc_pool_huge_page
   -> alloc_fresh_hugetlb_folio //分配2M的hugetlb页面
      -> prep_new_hugetlb_folio
       -> __prep_new_hugetlb_folio
        -> hugetlb_vmemmap_optimize //触发HVO优化

场景3：写proc节点，增大默认页池（如2M）中hugetlb页面数量

如：echo 1000 > /proc/sys/vm/nr_hugepages

mm/hugetlb.c
hugetlb_table[] 
->hugetlb_sysctl_handler
 ->hugetlb_sysctl_handler_common
  ->__nr_hugepages_store_common
   -> set_max_huge_pages
    ->alloc_pool_huge_page
     -> alloc_fresh_hugetlb_folio //分配2M的hugetlb页面
        -> prep_new_hugetlb_folio
         -> __prep_new_hugetlb_folio
          -> hugetlb_vmemmap_optimize //触发HVO优化

3.撤销HVO优化原理及触发场景

3.1 撤销HVO优化原理

有的时候需要撤销HVO所作的优化，如需要缩小hugetlb页池中页面数量。

相关源码分析如下：

mm/hugetlb_vmemmap.c
hugetlb_vmemmap_restore
->首先通过HPageVmemmapOptimized(head)判断是否hugetlb页面被HVO优化了，没有则直接返回
->  vmemmap_end     = vmemmap_start + hugetlb_vmemmap_size(h);//获得优化的tail vmemmap page地址
 vmemmap_reuse   = vmemmap_start;//重复映射使用的head vmemmap page地址
 vmemmap_start   += HUGETLB_VMEMMAP_RESERVE_SIZE;//从第一个tail vmemmap page开始优化
->vmemmap_remap_alloc(vmemmap_start, vmemmap_end, vmemmap_reuse) //还原HVO之前所作的优化：重新映射vmemmap的虚拟地址范围到vmemmap_pages页面
 ->alloc_vmemmap_page_list(start, end, &vmemmap_pages) //分配所有的tail vmemmap page，如2M大小的hugetlb页面， 分配page1 - page7,共7个页面，page0 已有不需要分配
 ->mmap_read_lock(&init_mm) //读方式获得init_mm的mmap_lock
 ->vmemmap_remap_range(reuse, end, &walk) //遍历页表，重新映射vmemmap的虚拟地址范围到vmemmap_pages中分配的页面
  ->vmemmap_restore_pte //对于每个页表项，调用vmemmap_restore_pte处理
 ->mmap_read_unlock(&init_mm)//读方式释放init_mm的mmap_lock

->ClearHPageVmemmapOptimized(head) //清除hugetlb页面的优化标记

vmemmap_remap_pte的核心代码如下：
/*
 * How many struct page structs need to be reset. When we reuse the head
 * struct page, the special metadata (e.g. page->flags or page->mapping)
 * cannot copy to the tail struct page structs. The invalid value will be
 * checked in the free_tail_page_prepare(). In order to avoid the message
 * of "corrupted mapping in tail page". We need to reset at least 3 (one
 * head struct page struct and two tail struct page structs) struct page
 * structs.
 */
#define NR_RESET_STRUCT_PAGE            3

static inline void reset_struct_pages(struct page *start)
{
        struct page *from = start + NR_RESET_STRUCT_PAGE;

        BUILD_BUG_ON(NR_RESET_STRUCT_PAGE * 2 > PAGE_SIZE / sizeof(struct page));
        memcpy(start, from, sizeof(*from) * NR_RESET_STRUCT_PAGE);
}


static void vmemmap_restore_pte(pte_t *pte, unsigned long addr,
                                struct vmemmap_remap_walk *walk)
{
        pgprot_t pgprot = PAGE_KERNEL;//页表属性可读可写
        struct page *page;
        void *to;

        BUG_ON(pte_page(ptep_get(pte)) != walk->reuse_page);
        
        page = list_first_entry(walk->vmemmap_pages, struct page, lru);//vmemmap_pages链表中获得一个物理页面
        list_del(&page->lru);//page从vmemmap_pages链表中删除
        to = page_to_virt(page);
        copy_page(to, (void *)walk->reuse_addr);//将head vmemmap page的页面内容拷贝到这个物理页面
        reset_struct_pages(to); //由于描述hugetlb页面的struct page结构，只有前3个struct page结构用于描述hugetlb页面信息，
  其他的struct page结构都只是有compound_head是有意义的，为了防止free_tail_page_prepare有错误的检查报告，这里将所有tail vmemmap page的
  内容都设置为正常值。

        /*
        ¦* Makes sure that preceding stores to the page contents become visible
        ¦* before the set_pte_at() write.
        ¦*/
        smp_wmb();
        set_pte_at(&init_mm, addr, pte, mk_pte(page, pgprot));//重新映射页表到这个物理页面
}

3.2 撤销HVO触发场景

场景1：写相关hugetlb页面的sys节点，减小相关页池中hugetlb页面数量

例如写/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-xxxkB/nr_hugepages

echo 500 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-64B/nr_hugepages //从之前1000减小到500

mm/hugetlb.c
nr_hugepages_store
nr_hugepages_store_common
set_max_huge_pages
->flush_free_hpage_work(h);
 ->free_hpage_workfn
  ->__update_and_free_hugetlb_folio
   ->hugetlb_vmemmap_restore
->update_and_free_pages_bulk
 ->__update_and_free_hugetlb_folio
  ->hugetlb_vmemmap_restore

场景2：写proc节点，减小默认页池中hugetlb页面数量

例如写/proc/sys/vm/nr_hugepages

echo 500 > /proc/sys/vm/nr_hugepages //从之前1000减小到500

mm/hugetlb.c
hugetlb_table[] 
->hugetlb_sysctl_handler
->hugetlb_sysctl_handler_common
->__nr_hugepages_store_common
-> set_max_huge_pages
 ->flush_free_hpage_work(h);
  ->free_hpage_workfn
   ->__update_and_free_hugetlb_folio
    ->hugetlb_vmemmap_restore
 ->update_and_free_pages_bulk
  ->__update_and_free_hugetlb_folio
   ->hugetlb_vmemmap_restore

场景3：写/sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-xxxkB/demote

mm/hugetlb.c
demote_store
->demote_pool_huge_page
 ->demote_free_hugetlb_folio
  ->hugetlb_vmemmap_restore

4.HVO中头页的获取问题

通过上面的分析，我们知道通过将tail vmemmap page映射head vmemmap page，然后释放掉tail vmemmap page，从而达到节省vmemmap page占用内存的目的，但是会出现我们获得的尾页的struct page指向头页的struct page的情况。如图所示，以2M大小的hugetlb页面为例：

Linux

可以看到需要struct page0 - struct page511，512个struct page来描述hugetlb页面，那么通过HVO优化后:

[struct page0, struct page63] <----> head vmemmap page

[struct page64, struct page127] <----> tail vmemmap page

... <----> tail vmemmap page

[struct page448, struct page511] <----> tail vmemmap page

都页表映射到head vmemmap page。

那么struct page0, struct page64，..., struct page448都会指向struct page0，可能会在判断是否为头页的代码中造成混乱，也可以看出这些struct page地址都是对齐4k的。

这里需要补充说明下：对于复合页（THP、hugetlb都属于复合页），头页会设置PG_head标记，而尾页的compound_head=head_page | 0x1。

像这些描述尾页的struct page，被成为"伪造的头页"，内核中处理如下（page_folio为例）：

include/linux/page-flags.h
page_folio
->_compound_head
 ->static inline unsigned long _compound_head(const struct page *page)
 {
   unsigned long head = READ_ONCE(page->compound_head);//获取页面的compound_head成员

   if (unlikely(head & 1))//是真正的尾页
     return head - 1;//计算出头页地址，返回
   return (unsigned long)page_fixed_fake_head(page);//为真正的头页或者为伪造的头页。
 }
    
   page_fixed_fake_head处理如下：
   /*
 * Return the real head page struct iff the @page is a fake head page, otherwise
 * return the @page itself. See Documentation/mm/vmemmap_dedup.rst.
 */
static __always_inline const struct page *page_fixed_fake_head(const struct page *page)
{
        if (!static_branch_unlikely(&hugetlb_optimize_vmemmap_key))
                return page;

        /*   
        ¦* Only addresses aligned with PAGE_SIZE of struct page may be fake head
        ¦* struct page. The alignment check aims to avoid access the fields (
        ¦* e.g. compound_head) of the @page[1]. It can avoid touch a (possibly)
        ¦* cold cacheline in some cases.
        ¦*/
        if (IS_ALIGNED((unsigned long)page, PAGE_SIZE) &&
        ¦   test_bit(PG_head, &page->flags)) { //struct page结构地址只有对齐PAGE_SIZE才有可能为伪造的头页
                /*   
                ¦* We can safely access the field of the @page[1] with PG_head
                ¦* because the @page is a compound page composed with at least
                ¦* two contiguous pages.
                ¦*/
                unsigned long head = READ_ONCE(page[1].compound_head);//获得下一个 struct page地址的compound_head成员，实际上就是获取第一个尾页的compound_head

                if (likely(head & 1))
                        return (const struct page *)(head - 1);//计算获得真正的头页地址
        }
        return page;
}

通过上面计算我们就可以得到真正的头页，简单来说就是通过struct page1->compound_head计算获得头页。

所有打开HVO优化后，可能描述hugetlb页面的struct page有三种情况：

真正的头页，如上例子中的struct page0，计算头页的时候直接返回struct page0地址即可。

伪造的头页，如上例子中的struct page64，struct pageN（N=n*64， n=1-6），struct page448。通过struct page1->compound_head计算获得头页地址。

真正的尾页，除了1和2的所有情况，直接通过当前struct page->compound_head计算获得头页地址。

5.总结

通过以上的分析，我们知道：HVO主要是并不节省实际用户数据（如2M大小的HugeTLB 页面）的内存占用，而是节省管理HugeTLB 页面元数据（如描述2M大小的HugeTLB 页面的512个struct page）的内存占用，巧妙的利用了HugeTLB机制的一些特性（如HugeTLB 页面使用头三个struct page来描述其页面状态，不支持分裂，不支持部分unmap等），使得我们可以共享struct page所在的第一个物理页面，释放掉其他冗余的物理页面，从而达到节省内存的目的。

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