CentOS系统下Huge Pages大页大小如何查看与配置？

在现代服务器操作系统,尤其是像CentOS这样广泛用于企业级应用的Linux发行版中，内存管理是决定系统性能的关键因素之一，为了更高效地处理海量内存，Linux内核引入了“大页”机制，理解并正确配置CentOS中的大页大小，对于优化数据库、高性能计算（HPC）和其他内存密集型应用的性能至关重要。

什么是大页内存？

默认情况下,Linux使用4KB大小的内存页作为基本的内存管理单元，这个尺寸在几十年前是合适的，但随着物理内存容量的激增（如今服务器动辄上百GB甚至TB级别），4KB的页尺寸带来了新的问题，核心问题在于地址转换旁路缓冲器（TLB）的容量有限。

TLB是CPU内部的一个高速缓存,用于缓存虚拟地址到物理地址的映射关系，当CPU访问内存时，它会首先查询TLB，如果命中，则能快速获取物理地址；如果未命中，则需要通过多级页表进行查询，这个过程会带来显著的性能延迟，当系统管理的内存越来越大时，页表项也随之剧增，导致TLB的命中率下降，频繁的“TLB Miss”会成为性能瓶颈。

大页内存正是为了解决这个问题而生的,它通过使用比4KB大得多的内存页（例如2MB或1GB），使得单个页表项能够覆盖更大的内存区域，这样一来，同样大小的内存，所需的页表项数量急剧减少，从而大大提高了TLB的命中率，降低了地址转换的开销，最终提升了应用性能。

CentOS中的大页类型

在CentOS系统中,主要存在两种大页实现方式：标准大页和透明大页。

标准大页

标准大页是一种静态的、需要手动配置的大页机制，管理员需要预先从系统内存中预留出一部分空间，专门用于大页分配，这部分内存一旦预留，就不会被内核用于常规的4KB页面分配，而是独立管理。

配置标准大页通常涉及以下步骤：

1. 计算所需大页数量：首先需要确定应用需要多少大页内存，要为应用分配8GB的2MB大页内存，需要计算 8 * 1024MB / 2MB = 4096 个大页。
2. 设置内核参数：通过sysctl命令或修改/etc/sysctl.conf文件来设置预留的大页数量，执行 sysctl -w vm.nr_hugepages=4096。
3. 挂载hugetlbfs文件系统：为了让应用能够使用这些预留的大页，需要挂载一个特殊的文件系统hugetlbfs。mount -t hugetlbfs nodev /mnt/huge，应用可以通过mmap系统调用映射该文件系统下的文件来使用大页。
4. 应用适配：应用程序本身需要支持大页，或者在启动时通过特定参数（如Java的-XX:+UseLargePages）来声明使用。

标准大页的优点是性能可预测,内存独占，避免了运行时的动态分配开销，缺点是配置相对复杂，需要重启应用才能生效，且预留的内存如果未被充分利用会造成浪费。

透明大页

透明大页（THP）是一种动态的、自动管理的大页机制，它旨在简化大页的使用，让应用无需修改代码就能享受大页带来的性能提升，内核会在后台尝试将相邻的多个4KB普通页面“合并”成一个2MB的大页。

THP的配置状态可以通过查看 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled 文件来了解，其值通常为 [always]、[madvise] 或 [never]。

• always：内核会尽可能地为所有应用创建和使用透明大页。
• madvise：只有当应用明确通过madvise()系统调用提出建议时，内核才会为其使用透明大页。
• never：完全禁用透明大页。

THP的优点是“开箱即用”，对应用透明，极大简化了管理，其后台的内存碎片整理进程可能在某些对延迟极其敏感的工作负载（如数据库）中引发不可预测的性能抖动，许多数据库厂商（如Oracle、MongoDB）官方建议在生产环境中禁用THP，转而使用配置更精确的标准大页。

如何查看和配置大页大小

在CentOS中,大页的大小是固定的，由CPU架构决定，最常见的x86_64架构支持2MB的标准大页和1GB的巨型页。

查看大页大小
可以通过以下命令轻松查看系统支持的大页大小：

grep -i hugepagesize /proc/meminfo

输出通常如下：

Hugepagesize:       2048 kB

这表明系统的大页大小为2048KB,即2MB，对于1GB的巨型页，其大小会在/proc/meminfo中显示为1048576 kB。

不同页面大小的对比

下表清晰地展示了不同页面尺寸之间的差异：

特性	标准4KB页	标准2MB大页	1GB巨型页
典型尺寸	4 KB	2 MB	1 GB
TLB覆盖范围	小	中等	巨大
优点	灵活，内存利用率高	显著减少TLB Miss，性能提升	极大减少TLB Miss，适用于极大数据集
缺点	TLB Miss率高，影响性能	可能造成内存浪费，需手动配置	配置更复杂，内存浪费风险更高
适用场景	通用应用，小内存进程	数据库，虚拟化，缓存服务	高性能计算（HPC），大规模内存分析

在CentOS系统中,理解和运用大页技术是进行深度性能优化的关键一环，选择标准大页还是透明大页，取决于具体的应用场景和管理需求，对于追求稳定、可预测性能的数据库等关键业务，手动配置标准大页是更可靠的选择，而对于通用应用或希望简化管理的场景，THP提供了一个便捷的替代方案，但需密切关注其可能带来的延迟问题，无论如何，首先确认系统的“大页大小”是进行这一切优化的起点。

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相关问答FAQs

问题1：我的服务器上运行着一个关键的数据库应用，我应该使用标准大页还是透明大页？

解答： 对于关键的数据库应用，强烈推荐使用标准大页，原因在于：1）性能可预测性，标准大页是静态预留的，数据库启动时就占用了固定的大片内存，避免了运行时因内存页面合并、整理等操作带来的延迟抖动，2）数据库厂商的最佳实践，主流数据库如Oracle、PostgreSQL、MongoDB等官方文档通常都明确建议禁用透明大页，并配置标准大页以获得最佳且最稳定的性能，虽然标准大页的配置稍显复杂，但其带来的性能稳定性和确定性能回报，对于生产环境的数据库来说是至关重要的。

问题2：我已经按照教程配置了标准大页，但通过/proc/meminfo看到HugePages_Free的数量和HugePages_Total一样多，说明应用并没有使用上，我该如何排查？

解答： 这个问题表明大页虽然已经预留，但应用未能成功分配，排查步骤如下：

1. 确认应用支持：检查您使用的应用程序是否明确支持大页，许多应用需要特定的启动参数才能启用大页功能，例如Java应用需要添加 -XX:+UseLargePages。
2. 检查应用权限：应用进程的运行用户需要有权限访问挂载的hugetlbfs文件系统，确保该用户有相应的读写权限。
3. 检查系统日志：使用 dmesg | grep -i huge 命令查看内核日志，有时内核会输出大页分配失败的相关信息。
4. ：确保hugetlbfs文件系统已经正确挂载，并且应用在启动时能够访问到它，可以使用 mount | grep huge 命令来确认。
5. 检查内存锁定限制：某些应用使用大页时还需要锁定内存，这可能需要调整/etc/security/limits.conf文件中的memlock设置，确保进程可以锁定足够的内存。