本文对 Linux 内核目前热点项目 Large Folios 的社区与产品现状进行剖析，并预测未来趋势。文中讲述的技术内容，来自 Google、OPPO、ARM、Nivida、Samsung、华为、alibaba 等多家公司的社区与产品贡献。
作者 | Barry Song，Yu Zhao 责编 | 梦依丹
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
在 Linux 内核中，一个 folio 可以只包含 1 个 page，也可以包含多个 page。当一个 folio 包含多个 page 的时候，我们称它为一个 large folio，在中文社区，我们一般称呼其为大页。采用 large folio 可潜在带来诸多好处，比如：
1. TLB miss 减小，比如许多硬件都支持 PMD 映射，可以直接把 2MB 做成一个 large folio，只占用一个 TLB entry；部分硬件支持 contiguous PTE 映射，比如 ARM64 可以让 16 个连续的 page 通过 CONT-PTE 只占一个 TLB entry。
2. page fault 次数减小，比如 do_anonymous_page() 在某个 PTE 的 page fault 后，直接申请一个 large folio 并映射一个 CONT-PTE 的话，则剩下的 15 个 PTE 不再发生 page fault。
3. 降低 LRU 的规模和内存 reclamation 的成本，以 large folio 为单位进行回收，整个 large folio 在 folio_referenced() 等的反向映射成本低于多个 small folio 单独进行 rmap 的成本；try_to_unmap_one() 理论上也如此。
4. 潜在的以更大粒度在 zRAM/zsmalloc 进行压缩/解压的机会，从而降低压缩/解压的 CPU 利用率、提高压缩率。比如 64KiB 的 large folio 整体压缩，比分成 16个4KiB 的 small folio 来进行压缩，有明显优势。
在 Linux 内核的整个内存管理中，large folios 将与 small folios（只有一个page）混合存在。比如在 LRU 链表上，挂在上面的 folio 既可能是 large，也可能是 small；一个进程的某个 VMA 里面的内存，可由 large folios 和 small folios 混合组成；文件的 pagecache 上，不同的 offset 上面对应的可能是 small folios 也可能是 large folios。
文件页 large folios
Linux 社区在文件页方面，发展出多个文件系统支持 large folio。这类文件系统会通过 mapping_set_large_folios()告诉 page cache 这层，它支持 large folio：
afs
bcachefs
erofs非压缩文件
xfs
而 pagecache 这层，则会关注到这一情况，在 mapping_large_folio_support() 为真的情况下，允许申请 large folios 来填充 pagecache 的 xarray：
目前文件页 large folios 支持的文件系统非常有限，所以在许多行业还没法用起来，比如手机行业广泛使用的 erofs、f2fs 等。目前我们看到，社区里面华为公司 Zhang Yi 正在完成一个 patchset：ext4: use iomap for regular file's buffered IO path and enable large foilo[1]，寻求对 ext4 的 iomap 和 large folios 支持。Zhang Yi 提供的性能数据，在某种意义上可以证明文件系统支持 large folios 的好处：
匿名页 large folios
社区里面 ARM 公司 Ryan Roberts 是这个项目的主要发起者以及相关 patchset 的主要贡献者之一。目前匿名页相关的 patchset 有多个议题，部分已经merge，部分在 Andrew Morton 的 mm tree 迭代，部分还在社区讨论或萌芽阶段。
1. Ryan Roberts（ARM）贡献的 Multi-size THP for anonymous memory[2]
这个 patchset，允许匿名页发生缺页中断的时候，申请多种不同 size 的 PTE-mapped 的 large folios。而内核原先的 THP 主要针对的是 PMD-mapped 的2MiB size，在支持多种 size 后，我们把 multi-size THP 简称为 mTHP。现在 /sys/kernel/mm/transparent_hugepage 目录下面，会有多个 hugepages- 子目录：
比如你开启 64KiB 的 large folios：
这样在发生 PF 的时候，do_anonymous_page () 可以申请 64KiB 的 mTHP，并一次性透过 set_ptes 把 16 个 PTE 全部设置上：
后面 15 个 PTE 就不会再发生 PF 了。Ryan 的 patchset，保持了 mTHP 与之前THP在ABI方面的兼容，比如之前的MADV_HUGEPAGE、MADV_NOHUGEPAGE 针对 mTHP 仍然适用。
2、 Ryan Roberts（ARM）贡献的 Transparent Contiguous PTEs for User Mappings[3]
这个 patchset 主要让 mTHP 可以自动用上 ARM64 的 CONT-PTE，即 16 个 PTE 对应的 PFN 如果物理连续且自然对界，则设 CONT bit 以便让它们只占用一个 TLB entry。Ryan 的这个 patchset 比较精彩的地方在于，mm 的 core 层其实不必意识到 CONT-PTE 的存在（因为不是啥硬件 ARCH 都有这个优化），保持了 PTE 相关 API 向 mm 的完全兼容，而在 ARM64 arch 的实现层面，自动加上或者去掉 CONT bit。
比如原先 16 个 PTE 满足 CONT 的条件，如果有人 unmap 掉了其中 1 个 PTE 或者 mprotect 改变了 16 个 PTE 中一部分 PTE 的属性导致 CONT 不再能满足，set_ptes() 调用的 contpte_try_unfold() 则可将 CONT bit 自动 unfold 掉：
CONT-PTE 的采用有效提升了一些 benchmark 的性能，比如内核编译：
3、Ryan Roberts（ARM）贡献的 Swap-out mTHP without splitting[4]
此 patchset 在 vmscan.c 对内存进行回收的时候，不将 mTHP split 为 small folios（除非 large folio 之前已经被加入了 _deferred_list，证明其很可能已经被 partially unmap 了），而是整体申请多个 swap slots 和写入 swapfile。
不过这里有一个问题，在 add_to_swap() 整体申请 nr_pages 个连续的 swap slots 的时候，swapfile 完全可能已经碎片化导致申请不到，这样它仍然需要回退到 split：
相信 swapfile 的反碎片问题，将是后续社区的一个重要话题，这方面 Chris Li（Google）有一些思考 Swap Abstraction "the pony"[5]，更多的讨论可能在 2024 年 5 月盐湖城的 LSF 上进行。
4、Chuanhua Han（OPPO）、Barry Song（OPPO 顾问）贡献的 mm: support large folios swap-in[6]
这个 patchset 瞄准让 do_swap_page() 在 swapin 的时候也能直接以 large folio 形式进行，从而减小 do_swap_page() 路径上的 PF。另外，更重要的一点是，如果 swapin 路径上不支持 mTHP 的话，前述 Ryan Roberts 的工作成果可能就因为 mTHP swapout 出去，swapin 回来就再也不是 mTHP了。
针对 Android、嵌入式等场景，swapout 频繁发生，因为 swapout 而一夜之间失去 mTHP 的优势，变成穷光蛋，实在有点说不过去。理论上 swapin 路径上的 mTHP 支持有 3 条可能路径：
在 swapcache 中直接命中了一个 large folio
在 SWP_SYNCHRONOUS_IO 路径上针对同步设备的 swapin
在 swapin_readahead() 路径上针对非同步设备或者 __swap_count(entry) != 1 的 swapin。
目前 patchset 瞄准 a、b 针对手机和嵌入式等采用 zRAM 的场景进行，相信该 patchset 后续会进一步发展到针对路径 c 的支持。近期可能较早能合入的是路径 a 的部分 large folios swap-in: handle refault cases first[7]。
5、Tangquan Zheng（OPPO）贡献的 mTHP-friendly compression in zsmalloc and zram based on multi-pages[8]
此 patchset 的创意建立在以更大粒度对匿名页在 swapout/swapin 过程中进行压缩和解压的时候，可以极大减小 CPU 利用率和提高压缩率。该 patchset 的 cover letter 呈现了一组数据，对于原始数据，以 4KiB 和 64KiB 为单位进行压缩，时间可以大为减小，压缩后的数据也减小许多：
前述 Ryan、Chuanhua、Barry 等的工作，在 swapout、swapin 的时候能够以 large folios 的粒度进行，这为 Tangquan 的工作提供了实践基础。在 Tangquan 的工作中，如果给 zRAM 的是 64KiB 的 mTHP，它可以直接以 64KiB 为单位压缩；如果给 zRAM 的是 128KiB 的 mTHP，则它可以分解为 2 个 64KiB 来进行压缩（没有 Tangquan 的工作的时候，128KiB 将作为 32 个 4KiB 的 page 进行压缩）。
6、Yu Zhao（Google）贡献的 TAO: THP Allocator Optimizations[9]
这个 patchset（同时也是一个 LSF/MM/eBPF 议题）瞄准解决 large folio 的 metadata 的成本以及分配中经常遇到的碎片化难题。Buddy allocator 在系统运行较长时间的复杂应用后，通常会由于不可移动的内存页导致碎片化，进而无法继续有效的提供连续的物理内存。假如 large folio 的申请 90% 以上 fallback 到 4KB 页，前述的 mTHP 方案基本无法体现其作用。
TAO（同时也是中文“道”的英文翻译）的设计出发点是：4KB 页是几十年之前的遗留产物，并无法适合当代高性能硬件和用户态软件的需求；4KB 的存在只是为了向后兼容。因此操作系统内存管理设计应该是着重于 large folio 做优化，对 4KB 态度应该是不打破 ABI 和其他内核部件（比如SLAB）即可。打个比喻来说，4KB 更像是 DMA zone，DMA zone 的存在是为了保证 80 年代的 ISA 总线设备可以继续工作。基于此理念，内存可被抽象为两种 policy zones：向后兼容的 4KB 页 zone 和更加适合当代软硬件的 large folio zone。前者主要用来负责 4KB 分配需求，但也可提供无保证的 large folio 分配需求；后者只用来负责 large folio 分配需求，并提供整机的最低 THP 覆盖保证（guaranteed THP coverage）。
此设计的优点在于其方便性。具体来说，TAO 可以跟 MGLRU 完美的结合，实现了 4KB 页和 large folios 的有针对行的回收：4KB 页的分配只需要从 4KB 页 zone 做回收；large folio 的分配先从 large folio zone 做回收，如仍无法满足分配需求，可从 4KB 页 zone 做回收并兼而做 compaction。TAO 也将 HVO（HugeTLB Vmemmap Optimization）自然而然的扩展至 THP，从而降低了 2MB THP 的 struct page 的开销（为之前的⅛）。
TAO的结尾篇（见以上链接）还陈述了一个有趣的新概念：以金融学中的可互换性（Fungibility：指可用一物代替他物偿债）来思考THP。以2MB THP为例，如其使用者无法完全发挥此2MB THP的价值，内存管理应将此2MB THP与512个非连续的4KB页互换。此过程称为THP shattering，与现有的THP splitting看似相近，但其精髓是“偷梁换柱”，目的在于为有真正需求的用户保留原始的THP不被split。此概念还可用于未来的1GB THP。如果THP被split，现有的collapse将需分配一个新的THP，并进行数据复制。对与2MB THP来说，分配与复制也许并不是太大的问题。但对于未来的1GB THP，此两项都是无法接受的。所以唯一可行方案是THP recovery，也就是在被split的1GBTHP基础上，保留未被重新分配的页，并将已被重新分配的页的数据复制到额外的4KB页，然后将原有的1GB物理区域“物归原主”成THP。以2MB THP为例，以下2x2矩阵可概括上述的四种组合：
7、Barry Song（OPPO 顾问）贡献的 THP_SWAP support for ARM64 SoC with MTE[10]
此 patchset 解决 large folios 整体 SWPOUT 和 SWPIN 情况下，ARM64 MTE tags 以 folio 为单位 save 和 restore 的问题，从而让支持 MTE 的 ARM64 硬件能享受到 mTHP 整体 swapout、swapin 带来的优势。
8、Barry Song（OPPO顾问）贡献的mm: add per-order mTHP alloc and swpout counters[11]
mTHP发展到今天，计数和调试功能已经成为一个必需品，不然整个mTHP对用户表现为一个难以捉摸的黑盒子。Barry目前贡献的patchset暂时只实现了2组计数：
1) per-order的mTHP分配成功和失败率，从而来反馈mTHP是否真正还在系统里面有效，看看buddy碎片化是否导致mTHP分配容易失败；
2) per-order的mTHP SWPOUT和FALLBACK率，从而来反馈swap分区是否碎片化，导致分配mTHP swapout所需的连续swap slots容易失败。
patchset在每个size的sysfs文件中，增加了一个stats目录，/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/hugepages-
/stats，来呈现计数：
anon_alloc
anon_alloc_fallback
anon_swpout
anon_swpout_fallback
9、Zi Yan（Nvidia）贡献的 Split a folio to any lower order folios[12]
之前 large folio 永远只能 split 成 order-0 的 small folio，Zi Yan 的这个 patchset 让它可以转化为任意 order。这个 patchset 提供了一个 debugfs 接口，可以向 debugfs 接口写入一个 pid，以及虚拟地址范围，然后内核会 split 指定范围的 memory 为指定 order 的 mTHP。
目前 Zi Yan 展示了一个应用场景，在 Pankaj Raghav (Samsung) 的 enable bs > ps in XFS patchset[13]中，truncate 时候，可以有效利用这个 split 到非 order-0 的工作：
Pankaj Raghav 的工作致力于在 XFS 中提供 block size > page size 的支持，透由 Zi Yan 的工作，在 split了large folios 后，结果依然是 large folios（order 更低，但是满足 mapping_min_folio_order 要求）。
10、Baolin Wang（alibaba）的support multi-size THP numa balancing[14]
Baolin 的这个 patchset 把 NUMA balancing 情况下的内存迁移扩展到 mTHP 领域，它允许 mTHP 被扫描到，也允许它被迁移。由于 mTHP 的 size 大于 4KiB 的 small folios，理论上，它更容易出现 false sharing 的情况，频繁迁移会导致内存跨 NUMA Node 来回 ping-pong，因此，在算法上，mTHP 暂时借用了 PMD-mapped 的 2-stage filter 机制。经由 Baolin 的这个 patchset，autonuma-benchmark 的性能得到了明显提升：
11、内核爱好者 Lance Yang 的 mm/madvise: enhance lazyfreeing with mTHP in madvise_free[15]
这个 patchset 让 mTHP 的 MADV_FREE 即 lazyfree 机制不再需要 split folio。原先的 MADV_FREE 碰到 large folios 是要 split 的，现在不需要了，从而 large folios 的 MADV_FREE 调用速度会急剧提升（笔者也同时相信这会最终提升 lazyfree folio 最后在 LRU 链表被 reclamation 的速度）：
Large folios 的真实产品
直至本文成稿的那一刻，社区的 mTHP 还少有成熟商用案例。而 OPPO 手机在社区 mTHP 项目成熟前，先行在 4.19,5.10,5.15,6.1 等内核实现了动态大页， 2023 年并在大量手机部署。
在 2023 年中国 Linux 内核开发者大会上，Chuanhua Han（OPPO）呈现了 OPPO 产品的动态大页项目软件架构和收益成功[16]。
相对于社区项目各种 mTHP size 的支持，OPPO 手机里面部署的动态大页则主要瞄准 64KiB 这一种可利用 CONT-PTE 的 size，下图是一个典型的 do_anonymous_page() PF 处理的流程图。
Chuanhua 在 CLK2023 呈现了 OPPO 动态大页的软件架构图：
在该架构图中，有几个出彩的地方：
1. 对 do_anonymous_page、do_wp_page、do_swap_page、swapout 进行了全面的修改，这意味着该方案支持 PF 时候的 large folios 申请、CoW 以 large folio 为单位、swapout/swapin 等以 large folios 为单位；
2. 大页池：以池化技术解决 large folios 申请的开销，并提供高的 large folios 申请成功率;
3. 双 LRU：large folio 和 small folio 位于不同的 LRU，而不是混合在一起。这样 large folios 和 small folios 的 reclamation 效率都相对较高，不会出现相互给对方添堵的现象（举个例子，你现在急需 large folios，但是 LRU 的尾部挂了 100 个 small folios，你回收了那 100 个，还是得不到 large folios）；
4. zsmalloc、zRAM 支持 large folios 和 small folios 同时支持，享受 large folios 的高压缩比和低 CPU 利用率。
演讲稿也呈现了 OPPO 手机采用动态大页的收益数据：
benchmark 方面：
用户体验方面
Large folios 的未来
关于未来的几个预测：
1. 更多文件系统会支持 large folios 的 mapping。
2. 需要一套切实可行的类似 TAO 的保证 large folios 高效率申请成功的机制。
3. large folios 的 swapin 需要被主线支持。
4. large folios 带来更多并行处理的能力，比如结合硬件压缩解压 offload 功能，1 个 large folio 或可被 offload 硬件极快多线程压缩解压。
5. 未来 zswap 可能也需要提供 large folios 支持，目前 zswap 不支持 mTHP。
6. swap 反碎片，或者以不连续的 swap slots 来存放 swap out 出去的mTHP。目前 mTHP 的整体 swapout 必须要求 nr_pages 个 swap slots 是连续且自然对界的。
7. 解决好 mTHP 带来的性能提升，以及潜在增加内存碎片浪费之间的平衡。由于 mTHP 的粒度比 small folios 大，它潜在可能申请一些不需要被访问到的内存。但是，Tangquan 的 zRAM/zsmalloc 工作实际也让我们看到了另外一种可能性，large folios 并不总是浪费之源，它也可能成为省内存之源，这符合万物相生相克的道理。
8. 妥善处理好，用户态 partially unmap 一个 large folio 潜在可能造成的碎片浪费和性能损失。由于用户态通常只理解 base page 的 size，它可能不知道底层已经是一个 large folio，用户态则可能以不与 large folio 对齐的方式来 munmap、mprotect、madvise 等。比如用户态 munmap 一个 64KiB large folio 的 0~60KiB，最后的 4KiB 仍可能较长时间占用整个 64KiB large folio。
Barry Song：长期的一线Linux内核开发者，OPPO顾问，per-numa CMA、SCHED_CLUSTER、ARM64 BATCHED_UNMAP_TLB_FLUSH等项目的作者；
Yu Zhao：Linux内核社区著名开发者，Google Staff Software Engineer, Multi-Gen LRU、POSIX_FADV_NOREUSE等项目的作者。
参考文献
[1] https://lwn.net/Articles/956575/
[2] https://lore.kernel.org/all/20231207161211.2374093-1-ryan.roberts@arm.com/
[3] https://lore.kernel.org/all/20240215103205.2607016-1-ryan.roberts@arm.com/
[4] https://lore.kernel.org/linux-mm/20240403114032.1162100-1-ryan.roberts@arm.com/
[5] https://lore.kernel.org/linux-mm/CAF8kJuMQ7qBZqdHHS52jRyA-ETTfHnPv+V9ChaBsJ_q_G801Lw@mail.gmail.com/
[6] https://lore.kernel.org/linux-mm/20240304081348.197341-1-21cnbao@gmail.com/
[7] https://lore.kernel.org/linux-mm/20240402073237.240995-1-21cnbao@gmail.com/
[8] https://lore.kernel.org/linux-mm/20240327214816.31191-1-21cnbao@gmail.com/
[9] https://lore.kernel.org/all/20240229183436.4110845-1-yuzhao@google.com/
[10] https://lore.kernel.org/linux-mm/20240322114136.61386-1-21cnbao@gmail.com/
[11]https://lore.kernel.org/linux-mm/20240405102704.77559-1-21cnbao@gmail.com/
[12] https://lore.kernel.org/all/20240226205534.1603748-8-zi.yan@sent.com/
[13] https://lore.kernel.org/linux-mm/20240226094936.2677493-1-kernel@pankajraghav.com/
[14] https://lore.kernel.org/all/cover.1712132950.git.baolin.wang@linux.alibaba.com/
[15] https://lore.kernel.org/all/20240402124029.47846-1-ioworker0@gmail.com/
[16] https://github.com/ChinaLinuxKernel/CLK2023/blob/main/%E5%88%86%E8%AE%BA%E5%9D%9B1%EF%BC%88%E5%86%85%E5%AD%98%E7%AE%A1%E7%90%86%EF%BC%89/8%20%20%E5%8A%A8%E6%80%81%E5%A4%A7%E9%A1%B5%EF%BC%9A%E5%9F%BA%E4%BA%8EARM64%20contiguous%20PTE%E7%9A%8464KB%20HugePageLarge%20Folios%E2%80%94%E2%80%94%E9%9F%A9%E4%BC%A0%E5%8D%8E.pptx
