linux 复合页( Compound Page )的介绍

1、复合页的定义：

　　复合页（Compound Page）就是将物理上连续的两个或多个页看成一个独立的大页，它可以用来创建hugetlbfs中使用的大页（hugepage），  也可以用来创建透明大页（transparent huge page）子系统。但是它不能用在页缓存（page cache）中，这是因为页缓存中管理的都是单个页。

2、复合页的分配及标记：

　　当__alloc_pages分配标志gfp_flags指定了__GFP_COMP，那么内核必须将这些页组合成复合页compound page。复合页的尺寸要远大于当前分页系统支持的页面大小。并且一定是2^order * PAGE_SIZE大小。复合页主要用在HugeTLB相关的代码。复合页的引入是因为随着计算机物理内存容量不断增大，4G以上几乎成了标配，几十G的内存也很常见，而操作系统仍然使用4KB大小页面的基本单位，显得有些滞后。当采用4KB大小的页面时，想像一下当应用程序分配2MB内存，并进行访问时，共有512个页面，操作系统会经历512次TLB miss和512次缺页中断后，才可以把这2M地址空间全部映射到物理内存上；然而如果使用2MB大小的compand页，那么只需要一次TLB miss和一次缺页中断。当页面分配函数使用GFP_COMP进行页面分配时，分配函数会为每一个增加标志PG_Compound，我们称复合页中的第一个4KB页面为head page，后面的所有page 为tail page。每个page的private保存一个指针，head page的private指向本身，tail page的private指向head page。

　　Page页中的flag标记用来识别复合页。在复合页中，打头的第一个普通页成为“head page”，用PG_head标记，而后面的所有页被称为“tail pages”，用PG_tail标记。在64位系统中，可以有多余的标记来表示复合页的页头和页尾；但是在32位系统中却没有那么多的标记，因此采用了一种复用其他标记的方案，即将复合页中的所有页都用PG_compound标记，然后，对于尾页同时也使用PG_reclaim标记，这是因为PG_reclaim只有在页缓存中会用到，而复合页根本就不会在页缓存中使用。

 //32位系统中的标记实例： 
 1 #define PG_head_mask ((1L << PG_compound))
 2 #define PG_head_tail_mask ((1L << PG_compound) | (1L << PG_reclaim))
 3
 4 static inline int PageHead(struct page *page)
 5 {
 6     return ((page->flags & PG_head_tail_mask) == PG_head_mask);
 7 }
 8
 9
10 static inline int PageTail(struct page *page)
11 {
12     return ((page->flags & PG_head_tail_mask) == PG_head_tail_mask);
13 }

3、复合页的检测：

　　可以使用PageCompound函数来检测一个页是否是复合页，另外函数PageHead和函数PageTail用来检测一个页是否是页头或者页尾。在每个尾页的page结构体中都包含一个指向头页的指针 - first_page，可以使用compound_head函数获得。

　

4、复合页的释放：

　　那么当一个复合页不再被系统使用时，我们如何知道该复合页包含多少个普通页，又如何知道该复合页的析构函数（destructor）存在哪里呢？首先，人们可能会认为这些信息存在于头页的page结构体中，但是很不幸，在这个结构体中已经没有可用的空间了。因此，这些信息全部存储在第一个尾页的lru字段中，将该复合页的大小（order）首先强制转换为指针类型，然后存储在lru.prev中，将析构函数存储在lru.next中。

 1 static void free_compound_page(struct page *page)
 2 {
 3     __free_pages_ok(page, compound_order(page));
 4 }
 5
 6 static inline int compound_order(struct page *page)
 7 {
 8     if (!PageHead(page))
 9         return 0;
10     return (unsigned long)page[1].lru.prev;
11 }

　　这里就解释了为什么复合页必须至少是两个页。在内核中生成了两个复合页的析构函数，默认情况下会调用free_compound_page来将所有的页返回给系统的页框分配器，而hugetlbfs子系统会调用free_huge_page来做一些统计并释放。使用复合页的最经典的一个例子就是THP（transparent huge page），