linux 復合頁( Compound Page )的介紹

1、復合頁的定義：

　　復合頁（Compound Page）就是將物理上連續的兩個或多個頁看成一個獨立的大頁，它可以用來創建hugetlbfs中使用的大頁（hugepage），  也可以用來創建透明大頁（transparent huge page）子系統。但是它不能用在頁緩存（page cache）中，這是因為頁緩存中管理的都是單個頁。

 

2、復合頁的分配及標記：

　　當__alloc_pages分配標志gfp_flags指定了__GFP_COMP，那么內核必須將這些頁組合成復合頁compound page。復合頁的尺寸要遠大於當前分頁系統支持的頁面大小。並且一定是2^order * PAGE_SIZE大小。復合頁主要用在HugeTLB相關的代碼。復合頁的引入是因為隨着計算機物理內存容量不斷增大，4G以上幾乎成了標配，幾十G的內存也很常見，而操作系統仍然使用4KB大小頁面的基本單位，顯得有些滯后。當采用4KB大小的頁面時，想像一下當應用程序分配2MB內存，並進行訪問時，共有512個頁面，操作系統會經歷512次TLB miss和512次缺頁中斷后，才可以把這2M地址空間全部映射到物理內存上；然而如果使用2MB大小的compand頁，那么只需要一次TLB miss和一次缺頁中斷。當頁面分配函數使用GFP_COMP進行頁面分配時，分配函數會為每一個增加標志PG_Compound，我們稱復合頁中的第一個4KB頁面為head page，后面的所有page 為tail page。每個page的private保存一個指針，head page的private指向本身，tail page的private指向head page。

　　Page頁中的flag標記用來識別復合頁。在復合頁中，打頭的第一個普通頁成為“head page”，用PG_head標記，而后面的所有頁被稱為“tail pages”，用PG_tail標記。在64位系統中，可以有多余的標記來表示復合頁的頁頭和頁尾；但是在32位系統中卻沒有那么多的標記，因此采用了一種復用其他標記的方案，即將復合頁中的所有頁都用PG_compound標記，然后，對於尾頁同時也使用PG_reclaim標記，這是因為PG_reclaim只有在頁緩存中會用到，而復合頁根本就不會在頁緩存中使用。

 

 //32位系統中的標記實例： 
 1 #define PG_head_mask ((1L << PG_compound))
#define PG_head_tail_mask ((1L << PG_compound) | (1L << PG_reclaim))

static inline int PageHead(struct page *page)
{
    return ((page->flags & PG_head_tail_mask) == PG_head_mask);
}


static inline int PageTail(struct page *page)
{
    return ((page->flags & PG_head_tail_mask) == PG_head_tail_mask);
}

 

3、復合頁的檢測：

　　可以使用PageCompound函數來檢測一個頁是否是復合頁，另外函數PageHead和函數PageTail用來檢測一個頁是否是頁頭或者頁尾。在每個尾頁的page結構體中都包含一個指向頭頁的指針 - first_page，可以使用compound_head函數獲得。

　

4、復合頁的釋放：

　　那么當一個復合頁不再被系統使用時，我們如何知道該復合頁包含多少個普通頁，又如何知道該復合頁的析構函數（destructor）存在哪里呢？首先，人們可能會認為這些信息存在於頭頁的page結構體中，但是很不幸，在這個結構體中已經沒有可用的空間了。因此，這些信息全部存儲在第一個尾頁的lru字段中，將該復合頁的大小（order）首先強制轉換為指針類型，然后存儲在lru.prev中，將析構函數存儲在lru.next中。

static void free_compound_page(struct page *page)
{
    __free_pages_ok(page, compound_order(page));
}

static inline int compound_order(struct page *page)
{
    if (!PageHead(page))
        return 0;
    return (unsigned long)page[1].lru.prev;
}

　　這里就解釋了為什么復合頁必須至少是兩個頁。在內核中生成了兩個復合頁的析構函數，默認情況下會調用free_compound_page來將所有的頁返回給系統的頁框分配器，而hugetlbfs子系統會調用free_huge_page來做一些統計並釋放。使用復合頁的最經典的一個例子就是THP（transparent huge page），