为什么linux kernel默认的页面大小是4K，而不是4M或8M？

最新推荐文章于 2024-09-22 18:37:26 发布

Justlinux2010

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分类专栏： Linux内核

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本文探讨了操作系统中选择4K作为物理页面大小的原因。通过对比大页面和4K页面的优缺点，分析了4K页面在内存管理、TLB命中率、磁盘I/O效率等方面的优势，同时也指出了大页面可能带来的问题。

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相信很多人在看内核内存管理部分的时候，都有这样一个疑问，为什么物理页面的大小选择4K，而不是大一些或者小一些呢？

这个问题没有固定的答案，仁者见仁智者见智，每个人的关注点不一样。所以这篇文章不是说给出一个固定的答案，更多的只是一篇讨论性的文章。

内核的页面大小首先跟CPU有关，不同的架构支持的页面大小也不相同，但有一个共同点，那就是肯定支持4K的页面大小。为什么处理器在设计的时候会选择4K，而不是其他，这个只有熟悉CPU历史的人才能给出答案，本人才疏学浅，回答不上来，有兴趣的自己找一找。当然处理器的设计者在考虑页面大小的时候，也不是凭空就选择了这个大小，除了历史因素，肯定综合了考虑了大页面、小页面的优缺点，所以这里主要列出这些优缺点，通过这些比较来发现内核为什么将默认的页面大小选择为4K。

现在更多争论的是大页面还是维持现在的页面4K大小，所以小页面的情况我们就不考虑了，通过比较前两者也可以得出小页面的情况。支持大页面的人通常认为大页面有以下好处：

1、减小page table占用的内存。

假设内存一定的话，页面大小越大，管理页面占用的内存也越小。现在内核中每个页面假设是4K的话，这4K不是全都可用，还有一部分用作struct page（大约是64bytes），如果是2.6.32的话，每个页还有一个page_cgroup（32bytes），也就是说内存大小的2.3%(96/4096)会被内核固定使用。如果页面大小是4M的话，这个比率大约是0.0006%。假设内存时64G的话，页面大小是4K，管理页占用的内存为1.472G，而页面大小是4M，管理页面占用的内存为0.393M。所以页面比较大时，节省的内存比较多。

2、提高TLB的命中率

每次访问内存的时候，都要将虚拟地址转换为物理地址，如果每次都访问页表的话，消耗比较大。因此，通常使用TLB来加速这个过程。但是TLB的可以直接转换的地址范围是有限的（具体就是项数乘以页面大小），一旦出现TLB miss，这时就必须去页表中查找。所以，如果是大页面的话，同样TLB项数的情况下，可以跟踪更大的内存。

3、提高磁盘I/O

我们知道在访问磁盘时，最耗时的操作就是查找写入盘区的起始位置，也就是在磁盘盘片上将读写头置于正确的位置上。所以如果是大页面的话，可以减少写入磁盘的次数。比如要写入4M的缓存，页面大小是4M的话，只需写入1次，而页面大小是4K的话，则需要写入4次。

4、提供缓存利用率

如果是大页面的话，可以减少访问伙伴系统的次数。调用伙伴系统的操作队系统的数据和指令高速缓存有相当的影响。内核越浪费这些资源，这些资源对用户空间进程就越不可用。

除了上面提高的好处，肯定还有的好处，就不一一列举了。那既然有这么好处，而且现在内存越来越大，为什么不更多地采用大页面呢？比如4M？

软件开发中，从来不会有非常完美的方案，都是在优缺点之间找到平衡点。同样，大页面有这样那样的好处，缺点也很明显。

1、最大的问题就是内存浪费，而且这个问题非常严重。比如这时要分配的内存是4M+1byte，这时需要两个页面才能满足分配的需要，这个时候浪费的内存为4M-1byte。如果页面是4K的话，浪费的内存数量为4k-1byte。页面太大，可能导致每个页面都只使用了部分空间，剩余的空间就被浪费了。当然对于数据库这样的系统来说，页面越大会越好，但是内核要考虑到通用的情况，而不是专注于特殊的应用场景。再比如，现在系统都是只分配虚拟地址空间，虚拟地址空间只有在真正被访问的时候，才映射物理页面，而且为了减少物理页面的浪费，对不访问的部分，则不作映射。如果页面太大，在映射很小的部分时，分配的内存会越大，浪费也就越大。系统在运行时，会频繁地请求内存页的操作，这样导致潜在的浪费会非常严重。这样的浪费会完全抵消减小page table的优势。

2、页面太大，会导致大量的内存碎片。因为底层的内存管理是以页面为单位。如果系统运行了很长时间，空闲的内存很多，但是连续的内存块都小于要分配的页面数。这时可以通过移动内存块或者利用swap来获取可用内存，但是会导致分配内存的操作很慢，这种慢会形成恶性循环，严重影响系统的性能。如果是小页面的话，内存的利用会比较紧凑，分配页面时需要的连续内存块的大小不像大页面那样需要的那么大。

3、如果CPU崩溃，TLB可以访问的内存越大，对系统的影响也越大。这时一把双刃剑，大页面可以提供TLB访问的内存数量，但是CPU崩溃时，会导致很多内存访问要去页表中请求物理地址。

4、兼容性问题。X86处理器支持的页面大小只有4K，所以如果页面过大的话，会导致兼容性问题。

5、如果页面太大，在将内存页换出到swap分区时，需要换出的内存也就越大，会影响性能。

总之，这个页面大小4K是在计算机发展过程中选择的，也是在实践中经过检验的，现在看来这个页面是合适的。

如果你还是想找到更多的证据说服自己的话，可以看看Linus Torvalds是怎么解释这个问题的：

http://yarchive.net/comp/linux/page_sizes.html