云计算基础-大页内存

大页内存功能概述

什么是大页内存

简单来说，就是通过增大操作系统页的大小来减小页表，从而避免快表缺失

主要应用场景

主要运用于内存密集型业务的虚拟机，比如对于运行数据库系统的虚拟机，采用HugePages(大页)后，可以提升数据库的整体性能(越20%)，并有效减小性能抖动

内存基本概念

CPU访问内存时，是去通过寻址去访问内存的，寻址最终寻的是内存的物理地址，物理地址是通过虚拟地址映射出去的，在这里引入了一个内存管理单元，内存管理单元的核心思想是利用虚拟地址代替物理地址，内存管理单元将物理地址和虚拟地址按照固定大小分割成一个个页，或者叫页表，CPU在访问内存时，先访问虚拟地址，再到物理地址的一个访问过程

为了提高地址变换速度，可在地址变换机构中，增设一个具有并行查找能力的特殊高速缓存：块表（TLB：页表寄存器缓冲），用以存放当前访问的那些页表项，由于成本的关系，块表不可能做的很大，通常只存放16~512个页表项

页表存放在内存中，快表存放在高速缓冲曲，速度比内存快很多，当CPU访问内存时，尽可能命中高速缓存区的快表，从而提高虚拟机的寻址速度

为什么需要大页内存

在Linux操作系统上运行内存需求量较大的应用程序时，由于其采用的默认页面大小为4KB，因而将会产生较多的TLB miss和缺页中断，从而大大影响应用程序性能（也就是说，由于TLB大小考虑成本关系，一般最大也就512个页表，而操作系统默认页面大小为4K，如果此时虚拟机所需要的内存这512个页表放不下了，此时，就会向内存中的页表去寻址，此时虚拟机性能将会降低）

当操作系统以2MB甚至更大作为分页的单位时，将会大大减少TLBmiss和缺页中断的数量，显著提高应用程序的性能，这也正是Linux内核引入大页面的直接原因（原本一个页对应4KB的内存，虚拟机需要访问8KB的内存时，就需要占用两个快表，修改默认页大小为2MB时，虚拟机访问2MB的内存页仅仅占用1个快表）

TLB存储极限时，就会发生TLB Miss，之后，OS就会命令CPU去访问内存的页表，如果频繁的出现TLB miss，程序的性能会下降的很快，为了让TLB可以存储更多的页地址映射关系，我们的做法是调大内存分页大小

简单描述

CPU是通过寻址去访问内存的，内存的地址也是保存在内存中的，但CPU的速度要比内存速度快非常多，为了提高CPU的寻址速度而新增了一个模块：TLB（页表寄存器缓冲），以加速CPU的寻址速度，CPU在访问内存时优先在TLB中查找内存地址，当TLB中找不到内存地址时才会去内存中查找，由于成本的关系，块表不可能做的很大，通常只存放16~512个页表项。

一般情况下，内存默认页面大小为4KB，即使512个页表项也放不了多少内存地址，如果CPU在TLB中没有查询到内存地址就会去内存中去查找，从而产生TLB miss，虚拟机性能依旧无法得到最大的提升。

而大页内存就是将将传统的小页面（通常为4KB）替换为更大的页面（通常为2MB或更大），每个页表项对应的物理内存范围也更大，因此可以减少页表项的数量，从而降低TLB miss 的概率。