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在介绍 HugePages 之前，咱们先来回顾一下 Linux 下 虚拟内存 与 物理内存 之间的关系。
物理内存：也就是装置在计算机中的内存条，比方装置了 2GB 大小的内存条，那么物理内存地址的范畴就是 0 ~ 2GB。虚拟内存：虚构的内存地址。因为 CPU 只能应用物理内存地址，所以须要将虚拟内存地址转换为物理内存地址能力被 CPU 应用，这个转换过程由MMU（Memory Management Unit，内存治理单元）来实现。在 32 位的操作系统中，虚拟内存空间大小为 0 ~ 4GB。
咱们通过 图 1 来形容虚拟内存地址转换成物理内存地址的过程：
如 图 1 所示，页表 保留的是虚拟内存地址与物理内存地址的映射关系，MMU 从 页表 中找到虚拟内存地址所映射的物理内存地址，而后把物理内存地址提交给 CPU，这个过程与 Hash 算法类似。
内存映射是以内存页作为单位的，通常状况下，一个内存页的大小为 4KB（如图 1 所示），所以称为 分页机制。
一、内存映射
咱们来看看在 64 位的 Linux 零碎中（英特尔 x64 CPU），虚拟内存地址转换成物理内存地址的过程，如图 2：
从图 2 能够看出，Linux 只应用了 64 位虚拟内存地址的前 48 位（0 ~ 47 位），并且 Linux 把这 48 位虚拟内存地址分为 5 个局部，如下：
PGD 索引：39 ~ 47 位（共 9 个位），指定在页全局目录（PGD，Page Global Directory）中的索引。PUD 索引：30 ~ 38 位（共 9 个位），指定在页下级目录（PUD，Page Upper Directory）中的索引。PMD 索引：21 ~ 29 位（共 9 个位），指定在页两头目录（PMD，Page Middle Directory）中的索引。PTE 索引：12 ~ 20 位（共 9 个位），指定在页表（PT，Page Table）中的索引。偏移量：0 ~ 11 位（共 12 个位），指定在物理内存页中的偏移量。
把 图 1 中的 页表 分为 4 级： 页全局目录 、 页下级目录 、 页两头目录 和 页表 目标是为了缩小内存耗费（思考下为什么能够缩小内存耗费）。
留神：页全局目录、页下级目录、页两头目录 和 页表 都占用一个 4KB 大小的物理内存页，因为 64 位内存地址占用 8 个字节，所以一个 4KB 大小的物理内存页能够包容 512 个 64 位内存地址。
另外，CPU 有个名为 CR3 的寄存器，用于保留 页全局目录 的起始物理内存地址（如图 2 所示）。所以，虚拟内存地址转换成物理内存地址的过程如下：
- 从
CR3寄存器中获取页全局目录的物理内存地址，而后以虚拟内存地址的 39 ~ 47 位作为索引，从页全局目录中读取到页下级目录的物理内存地址。 - 以虚拟内存地址的 30 ~ 38 位作为索引，从
页下级目录中读取到页两头目录的物理内存地址。 - 以虚拟内存地址的 21 ~ 29 位作为索引，从
页两头目录中读取到页表的物理内存地址。 - 以虚拟内存地址的 12 ~ 20 位作为索引，从
页表中读取到物理内存页的物理内存地址。 - 以虚拟内存地址的 0 ~ 11 位作为
物理内存页的偏移量，失去最终的物理内存地址。
二、HugePages 原理
下面介绍了以 4KB 的内存页作为内存映射的单位，但有些场景咱们心愿应用更大的内存页作为映射单位（如 2MB）。应用更大的内存页作为映射单位有如下益处：
- 缩小
TLB（Translation Lookaside Buffer）的生效状况。 - 缩小
页表的内存耗费。 - 缩小 PageFault（缺页中断）的次数。
Tips：
TLB是一块高速缓存，TLB 缓存虚拟内存地址与其映射的物理内存地址。MMU 首先从 TLB 查找内存映射的关系，如果找到就不必回溯查找页表。否则，只能依据虚拟内存地址，去页表中查找其映射的物理内存地址。
因为映射的内存页越大，所须要的 页表 就越小（很容易了解）； 页表 越小，TLB 生效的状况就越少。
应用大于 4KB 的内存页作为内存映射单位的机制叫 HugePages，目前 Linux 罕用的 HugePages 大小为 2MB 和 1GB，咱们以 2MB 大小的内存页作为例子。
要映射更大的内存页，只须要减少偏移量局部，如 图 3 所示：
如 图 3 所示，当初把偏移量局部扩大到 21 位（页表局部被笼罩了，21 位可能示意的大小范畴为 0 ~ 2MB），所以 页两头目录 间接指向映射的 物理内存页地址。
这样，就能够缩小 页表 局部的内存耗费。因为内存映射关系变少，所以 TLB 生效的状况也会缩小。
三、HugePages 应用
理解了 HugePages 的原理后，咱们来介绍一下怎么应用 HugePages。
HugePages 的应用不像一般内存申请那么简略，而是须要借助 Hugetlb 文件系统 来创立，上面将会介绍 HugePages 的应用步骤：
1. 挂载 Hugetlb 文件系统
Hugetlb 文件系统是专门为 HugePages 而发明的，咱们能够通过以下命令来挂载一个 Hugetlb 文件系统：
$ mkdir /mnt/huge
$ mount none /mnt/huge -t hugetlbfs执行完下面的命令后，咱们就在 /mnt/huge 目录下挂载了 Hugetlb 文件系统。
2. 初始化 HugePages
要应用 HugePages，首先要向内核申明能够应用的 HugePages 数量。/proc/sys/vm/nr_hugepages 文件保留了内核能够应用的 HugePages 数量，咱们能够应用以下命令设置新的可用 HugePages 数量：
$ echo 20 > /proc/sys/vm/nr_hugepages下面命令设置了可用的 HugePages 数量为 20 个（也就是 20 个 2MB 的内存页）。
3. 编写申请 HugePages 的代码
要应用 HugePages，必须应用 mmap 零碎调用把虚拟内存映射到 Hugetlb 文件系统中的文件，如下代码：
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#define MAP_LENGTH (10*1024*1024) // 10MB
int main()
{
int fd;
void * addr;
/* 1. 创立一个 Hugetlb 文件系统的文件 */
fd = open("/mnt/huge/hugepage1", O_CREAT|O_RDWR);
if (fd < 0) {perror("open()");
return -1;
}
/* 2. 把虚拟内存映射到 Hugetlb 文件系统的文件中 */
addr = mmap(0, MAP_LENGTH, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (addr == MAP_FAILED) {perror("mmap()");
close(fd);
unlink("/mnt/huge/hugepage1");
return -1;
}
strcpy(addr, "This is HugePages example...");
printf("%s\n", addr);
/* 3. 应用实现后，解除映射关系 */
munmap(addr, MAP_LENGTH);
close(fd);
unlink("/mnt/huge/hugepage1");
return 0;
}编译下面的代码并且执行，如果没有问题，将会输入以下信息：
This is HugePages example...四、总结
本文次要介绍了 HugePages 的原理和应用，尽管 HugePages 有很多长处，但也有其有余的中央。比方调用 fork 零碎调用创立子过程时，内核应用了 写时复制 的技术（可参考《Linux 写时复制机制原理》一文），在父子过程内存产生扭转时，须要复制更大的内存页，从而影响性能。
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