就Linux应用程序而言,使用的都是虚拟地址,当应用程序读写一个指定的虚拟地址时,内存管理单元会自动进行虚拟地址到物理地址的转换。一个虚拟 地址可以映射到多个物理地址,但当前映射到哪一个物理地址取决于当前的页表(Page Table,一个虚拟地址到物理地址的映射转换表)内容,页表存储在主存储器中,查询速度相对比较慢。为了提高地址转换性能,大多数体系架构都提供一个快 速查找缓冲TLB(Translation Lookaside Buffer),TLB读写速度非常快,比如在X86体系架构上,TLB和普通的CPU CACHE并没有本质区别,只不过TLB专职用于缓存页表数据,而普通的CPU CACHE缓存实际的代码指令或数据。TLB缓冲了最近使用过的页表项,在进行虚拟地址到物理地址的转换时先查这个TLB缓冲,只有当查找TLB缓冲失败 (TLB miss)后才再去查普通页表(好像有的架构是同时进行查找?)。当然,根据局部性原理,大多数情况下应该都是查找TLB缓冲命中(TLB hit)的,所以性能得以大大提升。这整个具体的页表查找与地址转换过程不是文本描述的重点,但我们需知道如下几点:
1,TLB缓冲能大大提升虚拟地址到物理地址的转换速度。
2,TLB缓冲大小有限,只能缓存一定量的页表项目(Entry)。
3,如果一个页越大,那么一个页表项目就能表示越多的地址空间,整个TLB缓冲命中的几率就越大。
在Linux平台上,页大小普遍为4K,但根据硬件架构的不同,Linux内核也支持更大的内存页,也就是本文要介绍的HugeTLB特性。
要使用HugeTLB特性,当然需要首先打开内核的相关编译选项:
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[root@localhost ~]# uname -a Linux localhost.localdomain 2.6.38.8 #4 SMP Mon Oct 31 20:49:48 CST 2011 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux [root@localhost ~]# cat /usr/src/linux-`uname -r`/.config | grep HUGETLB CONFIG_HUGETLBFS=y CONFIG_HUGETLB_PAGE=y [root@localhost ~]# free -m
total used free shared buffers cached
Mem: 2007 1920 87 0 1 10 -/+ buffers/cache: 1908 99 Swap: 2015 33 1982 [root@localhost ~]# |
查看HugePages信息:
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[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 0 HugePages_Free: 0 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
其中:
HugePages_Total:系统当前总共拥有的HugePages数目。
HugePages_Free:系统当前总共拥有的空闲HugePages数目。
HugePages_Rsvd:系统当前总共保留的HugePages数目,更具体点就是指程序已经向系统申请,但是由于程序还没有实质的HugePages读写操作,因此系统尚未实际分配给程序的HugePages数目。
HugePages_Surp:指超过系统设定的常驻HugePages数目的数目。
Hugepagesize:每一页HugePages的大小。
虽然尝试对上面这几个字段解释了一通,但HugePages_Rsvd和HugePages_Surp貌似仍然不够清楚,下面我们以实例数据来看,不过在此之前需要讲解另外几个内核参数:
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[root@localhost ~]# cat /proc/sys/vm/nr_hugepages 0 [root@localhost ~]# cat /proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy 0 [root@localhost ~]# cat /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages 0 [root@localhost ~]# |
其中:/proc/sys/vm/nr_hugepages,就是用于设定系统拥有的常驻HugePages数目的/proc接口,可读可写,比如修改常驻HugePages数目为10:
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[root@localhost ~]# echo 10 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 10 HugePages_Free: 10 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
这个值当然并不是echo多少就是多少,它根据系统当前的可用内存来计算,比如如下,2G内存当然不可能会有1000000个HugePages,系统根据当前可用物理内存计算出可以组成的HugePages数目为899:
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[root@localhost ~]# echo 1000000 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 899 HugePages_Free: 899 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
接口/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy和/proc/sys/vm/nr_hugepages的功用类似, 但是它只出现在NUMA系统上,用于更精细的HugePages申请分配。比如,对于一个具有2个NUMA节点的系统,申请100个HugePages页 面(先清0,以便重新生成HugePages页面):
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[root@localhost ~]# echo 0 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# echo 100 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 50 Node 0 HugePages_Free: 50 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 50 Node 1 HugePages_Free: 50 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# |
/proc/sys/vm/nr_hugepages接口会按照当前修改nr_hugepages的进程的NUMA策略进行HugePages分 配,当然,默认情况下就是系统当前所有在线NUMA节点平均分配这些HugePages,除非那个NUMA节点本身没有足够的可用连续内存来生成 HugePages,那么此时HugePages将由另外一个NUMA节点生成。
通过/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy接口,可以指定HugePages页面具体由哪个NUMA节点生成:
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[root@localhost ~]# echo 0 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# numactl -m 0 echo 40 >/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 40 Node 0 HugePages_Free: 40 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 0 Node 1 HugePages_Free: 0 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# numactl -m 1 echo 60 >/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 40 Node 0 HugePages_Free: 40 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 20 Node 1 HugePages_Free: 20 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# echo 80 >/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 50 Node 0 HugePages_Free: 50 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 30 Node 1 HugePages_Free: 30 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# numactl -m 1 echo 100 >/proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 60 Node 0 HugePages_Free: 60 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 40 Node 1 HugePages_Free: 40 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# |
上面先清0,以便系统重新生成HugePages页面,前40个HugePages页面全部在NUMA节点0上生成,而后20个(即 60-40)HugePages页面全部在NUMA节点1上生成,再接下来的20个(即80-60)HugePages页面平均由NUMA节点0和1上生 成,即此时虽然使用的nr_hugepages_mempolicy接口,但由于没有指定NUMA策略,所以默认就是平均分配,最后即便是指定了NUMA 策略,但由于使用的是nr_hugepages接口,所以仍然是平均分配。上面是增加HugePages页面的情况,减少的话也是类似:
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[root@localhost ~]# numactl -m 1 echo 80 >/proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 50 Node 0 HugePages_Free: 50 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 30 Node 1 HugePages_Free: 30 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# numactl -m 1 echo 60 >/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 50 Node 0 HugePages_Free: 50 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 10 Node 1 HugePages_Free: 10 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# numactl -m 0 echo 35 >/proc/sys/vm/nr_hugepages_mempolicy [root@localhost ~]# cat /sys/devices/ system /node/node*/meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 25 Node 0 HugePages_Free: 25 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 10 Node 1 HugePages_Free: 10 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# |
第一个是平均减少,各自减少10个,第二个是仅由NUMA节点1减少20个,第三个是仅由NUMA节点0减少25个。当然,系统也提供有直接查看/设置某个NUMA节点上HugePages页面分配的接口:
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[root@localhost ~]# grep ^ /sys/devices/ system /node/node*/hugepages /*/*
/sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/free_hugepages:25 /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages:25 /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/surplus_hugepages:0 /sys/devices/system/node/node1/hugepages/hugepages-2048kB/free_hugepages:10 /sys/devices/system/node/node1/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages:10 /sys/devices/system/node/node1/hugepages/hugepages-2048kB/surplus_hugepages:0 [root@localhost ~]# echo 36 > /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages [root@localhost ~]# cat /sys/devices/system/node/node*/ meminfo | fgrep Huge
Node 0 HugePages_Total: 36 Node 0 HugePages_Free: 36 Node 0 HugePages_Surp: 0 Node 1 HugePages_Total: 10 Node 1 HugePages_Free: 10 Node 1 HugePages_Surp: 0 [root@localhost ~]# |
关于NUMA节点HugePages页面分配以及numactl命令还有更多细节,请参考hugetlbpage.txt以及man手册。
另一个/proc接口:/proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages,表示程序申请HugePages可超过常驻HugePages数目的最大数目。一个使用HugePages的应用程序如下:
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/** * FileName: eg1.c
*/
#include <stdio.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #include <stdlib.h> #define MB_1 (1024*1024) #define MB_8 (8*MB_1) char *a;
int shmid;
void init_hugepage_seg()
{ shmid = shmget(1, MB_8, SHM_HUGETLB
| IPC_CREAT | SHM_R
| SHM_W);
if ( shmid < 0 ) {
perror ( "shmget error!" );
exit (1);
}
printf ( "init_hugepage_seg shmid: 0x%x.\n" , shmid);
a = shmat(shmid, 0, 0);
if (a == ( char *)-1) {
perror ( "Shared memory attach failure!\n" );
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
exit (2);
}
} void wr_to_array()
{ int i;
for ( i=0 ; i<MB_8 ; i++) {
a[i] = 'A' ;
}
} void rd_from_array()
{ int i, count = 0;
for ( i=0 ; i<MB_8 ; i++)
if (a[i] == 'A' ) count++;
if (count==i)
printf ( "HugeTLB read success.\n" );
else
printf ( "HugeTLB read failed.\n" );
} int main( int argc, char *argv[])
{ init_hugepage_seg();
printf ( "Hugepage memory segment initialized!\n" );
printf ( "Press any key to write/read memory!\n" );
getchar ();
wr_to_array();
rd_from_array();
printf ( "Press any key to free hugepage and exit!\n" );
getchar ();
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
return 0;
} |
编译它为执行程序eg1,eg1使用8M内存,即需要4页HugePages,设定常驻HugePages数为3,可超出常驻HugePages使用数为0,此时执行eg1会提示内存分配失败:
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[root@localhost huge]# gcc -o eg1 eg1.c [root@localhost huge]# echo 3 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost huge]# echo 0 > /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages [root@localhost huge]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 3 HugePages_Free: 3 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost huge]# ./eg1 shmget error!: Cannot allocate memory [root@localhost huge]# |
如果设定常驻HugePages数大于等于4,eg1当然可以执行成功,但也可以设定nr_overcommit_hugepages大于等于1同 样也可以让eg1成功执行,即只要nr_hugepages + nr_overcommit_hugepages大于等于4,此处eg1就可成功执行:
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[root@localhost huge]# echo 3 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost huge]# echo 1 > /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages [root@localhost huge]# ./eg1 init_hugepage_seg shmid: 0x90000. Hugepage memory segment initialized! Press any key to write/read memory! HugeTLB read success. Press any key to free hugepage and exit !
[root@localhost huge]# |
回过头来看HugePages_Total、HugePages_Free、HugePages_Rsvd、HugePages_Surp这四个字段:
HugePages_Total大多数情况下等于/proc/sys/vm/nr_hugepages(后面用nr_hugepages表示)的值,但当 /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages(后面用nr_overcommit_hugepages表示)大于0 时,HugePages_Total会超过nr_hugepages,但肯定小于等于nr_hugepages + nr_overcommit_hugepages,即:nr_hugepages <= HugePages_Total <= nr_hugepages + nr_overcommit_hugepages。
HugePages_Free、HugePages_Rsvd、HugePages_Surp来看实例,先做一些设置:
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[root@localhost ~]# echo 3 > /proc/sys/vm/nr_hugepages [root@localhost ~]# echo 2 > /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages [root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 3 HugePages_Free: 3 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
然后,另开一个shell终端执行eg1程序:
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[root@localhost huge]# ./eg1 init_hugepage_seg shmid: 0xa0000. Hugepage memory segment initialized! Press any key to write/read memory! |
就让eg1程序停在这,此时eg1程序已经执行了init_hugepage_seg();,即已经向系统申请4页HugePages,但还没有进 行实质内存读写操作wr_to_array();/rd_from_array();,回到之前的shell终端看HugePage信息:
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[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 4 HugePages_Free: 4 HugePages_Rsvd: 4 HugePages_Surp: 1 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
此时HugePages_Total值为4,为eg1程序申请的HugePages数;HugePages_Free为4,表示系统尚未把这4页 HugePages分配给eg1程序,所以它们都处于free状态,值得注意的是,虽然它们处于free状态,但已经不能再分配作为他用,要测试的话只需 把前面eg1.c文件拷贝为eg2.c,并修改其中shmget函数的key值为2,然后gcc编译为eg2,在当前这个状态下再执行eg2则会提 示:“shmget error!: Cannot allocate memory”;HugePages_Rsvd也为4,表示程序eg1已经向系统提出申请但尚未获得实际分配的HugePages 数;HugePages_Surp为1,表示超过系统设定的常驻HugePages数目的数目,即是:HugePages_Total(当前是4) - nr_hugepages(当前是3)。
回到执行eg1程序的shell终端,按一下键盘让eg1程序进行实际读写操作后再回到之前的shell终端看HugePage信息:
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[root@localhost huge]# ./eg1 init_hugepage_seg shmid: 0xa8000. Hugepage memory segment initialized! Press any key to write/read memory! HugeTLB read success. Press any key to free hugepage and exit !
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此时eg1程序已经进行了实际读写操作,但是尚未释放HugePages内存:
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[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 4 HugePages_Free: 0 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 1 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
所以看到的HugePages_Total等于4,HugePages_Free等于0,表示4页HugePages都被eg1程序使用 中;HugePages_Rsvd等于0自然是表示eg1程序已经获得了HugePages内存分配。HugePages_Surp为1,表示当前超过系 统设定的常驻HugePages数目的数目还是1。
eg1程序退出后自然数据又都恢复成初始状态了,注意此时HugePages_Surp归为0了,表示那些非常驻HugePages被实时的释放回系统 了,另外,如果在它们还没有释放回系统此前修改了常驻HugePages数目,那么这些HugePages_Surp的HugePages会优先被选择成 为常驻HugePages:
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[root@localhost huge]# ./eg1 init_hugepage_seg shmid: 0xa8000. Hugepage memory segment initialized! Press any key to write/read memory! HugeTLB read success. Press any key to free hugepage and exit !
[root@localhost huge]# |
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[root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 3 HugePages_Free: 3 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# |
一般情况下,几个不等式为:
nr_hugepages <= HugePages_Total <= nr_hugepages + nr_overcommit_hugepages
HugePages_Free <= HugePages_Total
HugePages_Rsvd <= HugePages_Free
HugePages_Surp = HugePages_Total - nr_hugepages <= nr_overcommit_hugepages
那么特殊情况下,比如当前nr_hugepages为100,使用中的HugePages数目也为100,如果此时修改nr_hugepages为80, 那么即便当前nr_overcommit_hugepages为0,这多出的使用中的20个HugePages也会被计算在HugePages_Surp 中,同时此时也不再能够申请HugePages内存了,直到满足上面几个不等式为止。
被用作HugePages的内存页是不会被系统交换出去(swapped out)的,并且由于HugePages需要更大的连续物理内存,所以在系统启动时更容易获得更多的HugePages内存,并且还能尽量保证这些 HugePages内存页连续,通过通过添加对应的boot kernel参数来实现这点:
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[root@localhost ~]# cat /proc/cmdline ro root=/dev/mapper/VolGroup-lv_root rd_LVM_LV=VolGroup/lv_root rd_LVM_LV=VolGroup/lv_swap rd_NO_LUKS rd_NO_MD rd_NO_DM LANG=en_US.UTF-8 SYSFONT=latarcyrheb-sun16 KEYBOARDTYPE=pc KEYTABLE=us crashkernel=auto rhgb quiet hugepages=10 hugepagesz=2M default_hugepagesz=4M [root@localhost ~]# |
如上面当前内核boot命令行参数设定HugePages内存页10个(hugepages=10),默认HugePages内存页大小为4M,但 Linux X86-64不支持,所以看到的Hugepagesize仍然只是2M(2048 kB)。/proc/sys/vm/nr_hugepages接口改变的是默认HugePages内存页大小的数目,如果系统支持多种大小的 HugePages,改变它们各自的数目需要/sys接口:
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[root@localhost ~]# ls /sys/kernel/mm/hugepages -F hugepages-2048kB/ [root@localhost ~]# |
我的系统只有一种大小的HugePages,所以只有一个hugepages-2048kB/目录,如果有多种大小的HugePages,那么自然 就会有多个hugepages-${size}kB/这样的目录。每一个目录下存在同样命名的一些文件,其中有三个可读写,通过这几个可读写的接口便可做 相应的修改设置,其它只读:
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[root@localhost ~]# cat /proc/sys/vm/nr_hugepages 10 [root@localhost ~]# cat /proc/sys/vm/nr_overcommit_hugepages 0 [root@localhost ~]# cat /proc/meminfo | grep Huge HugePages_Total: 10 HugePages_Free: 10 HugePages_Rsvd: 0 HugePages_Surp: 0 Hugepagesize: 2048 kB [root@localhost ~]# grep ^ /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/* /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/free_hugepages:10 /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages:10 /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages_mempolicy:10 /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_overcommit_hugepages:0 /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/resv_hugepages:0 /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/surplus_hugepages:0 [root@localhost ~]# ls -l /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/ total 0 -r--r--r--. 1 root root 4096 Jan 25 06:31 free_hugepages -rw-r--r--. 1 root root 4096 Jan 25 06:31 nr_hugepages -rw-r--r--. 1 root root 4096 Jan 25 06:31 nr_hugepages_mempolicy -rw-r--r--. 1 root root 4096 Jan 25 06:31 nr_overcommit_hugepages -r--r--r--. 1 root root 4096 Jan 25 06:31 resv_hugepages -r--r--r--. 1 root root 4096 Jan 25 06:31 surplus_hugepages [root@localhost ~]# |
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总的来说,《Linux设备驱动开发详解-基于最新的Linux4.0内核(第三版)》这本书全面覆盖了Linux4.0内核下的设备驱动开发,从基本概念到高级技术,为读者提供了宝贵的实践指导。无论你是初学者还是经验丰富的开发者,都...
《Linux 设备驱动开发详解》是宋宝华先生的一本经典著作,专注于讲解Linux系统下的设备驱动程序开发。这本书深入浅出地介绍了如何为各种硬件设备编写驱动程序,是嵌入式Linux开发者的重要参考资料。在学习这本书的...
《Linux设备驱动开发详解(第《Linux设备驱动开发详解(第2版)》内容全面,实例丰富,操作性强,语言通俗易懂,适合广大Linux开发人员、嵌入式工程师参考使用。 图书目录 第1篇 Linux设备驱动入门 第1章 Linux...
一共12章,包括图形编程 ...第3章 Linux下的C编程基础 3.1 Linux下C语言编程概述 3.2 进入Vi 3.3 初探Emacs 3.4 Gcc编译器 ..................................... ...................................
该开发详解详尽介绍如何嵌入式Linux应用程序,由14个pdf文件组成: arm体系结构 目录 第一章-LinuxBasic 第二章t-LinuxApp02-LinuxCommand 第三章-LinuxApp03-C 第四章-LinuxApp04-EmbededSystem 第五章-LinuxApp05-...
《Linux设备驱动开发详解》是一本介绍Linux设备驱动开发理论、框架与实例的书,《Linux设备驱动开发详解》以Linux 2.6版本内核为蓝本,详细介绍自旋锁、信号量、完成量、中断顶/底半部、定时器、内存和I/O映射...
linux gcc使用详解,解释的很详细,带示例.
本篇将详细探讨嵌入式Linux设备驱动开发,结合“嵌入式linux设备驱动开发详解SD.pdf”和“real6410_android开发板.PDF”两个文件,我们能够深入了解这一领域的核心概念和技术。 首先,我们要明白嵌入式Linux系统的...
《Linux应用程序开发详解》这本书是为初学者量身打造的一份全面而详尽的Linux开发指南。它旨在帮助读者从零开始,逐步掌握在Linux环境下进行应用程序开发的各种技术和工具。书中的内容涵盖了从基础的Linux操作系统...
linux下IPTABLES配置详解