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透明大頁THP（Transparent Huge Pages）是Linux內核中的一個通用特性，它可以自動將小頁面（通常為4 KB）合并成大頁面（通常為2 MB或更大），可以減少內存訪問頁表項PTE（Page Table Entries）大小和訪問次數，同時減輕了轉譯后備緩沖器TLB（Translation Lookaside Buffer）緩存的壓力，提高內存訪問的效率。本文主要介紹在Alibaba Cloud Linux系統中如何通過透明大頁THP功能來提升系統的性能。

THP相關配置說明

在Alibaba Cloud Linux 2的4.19.81-17.2及更早的內核版本中，透明大頁THP默認配置為madvise，即限定開啟透明大頁THP的功能。這一設置與其他主流操作系統不一致，例如Red Hat Enterprise Linux 7、CentOS 7、Amazon Linux 2等。為盡量保證與主流操作系統默認場景的兼容性，從Alibaba Cloud Linux 2的4.19.91-18內核版本開始，透明大頁THP默認配置為always，即系統全局開啟THP功能。

全局配置

在Alibaba Cloud Linux內核中，透明大頁THP的配置文件位于/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled，可選的配置項如下：

always
系統全局開啟透明大頁THP功能。
never
系統全局關閉透明大頁THP功能。
madvise
僅在通過madvise()系統調用，并且設置了MADV_HUGEPAGE標記的內存區域中開啟透明大頁THP功能。
說明
應用程序使用 MADV_HUGEPAGE 標記時，內核就會知道應用程序希望使用大頁進行內存分配。

碎片整理配置

除了上述全局配置外，還有下列兩個與透明大頁THP相關的碎片整理配置。

透明大頁THP碎片整理：透明大頁的碎片整理可以合并系統中分散的小頁面，以創建更大的頁面，以減少內存碎片化并提高性能。
khugepaged碎片整理：khugepaged是一個內核線程，主要負責管理和整理大頁，以減少內存碎片化并提高性能。它會監視系統中的大頁面，當發現分散的大頁時，會嘗試將它們合并成更大的頁，以提高內存利用率和性能。

khugepaged碎片整理主要關注管理和整理已經存在的大頁面，而透明大頁THP的碎片整理是指系統嘗試合并分散的小頁面以創建更大的頁面。兩者都旨在減少內存碎片化，并通過合并頁面來提高內存利用率和性能。二者詳細說明如下：

透明大頁THP碎片整理

發生缺頁異常（Page Fault）時，該功能可控制內存分別進行直接回收（Direct Reclaim）、后臺回收（Background Reclaim）、直接整理（Direct Compaction）、后臺整理（Background Compaction）的行為。開啟或關閉該功能的配置文件路徑為/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag，可選的配置項如下：

always
當系統分配不出透明大頁時，暫停內存分配行為，總是等待系統進行內存的直接回收和內存的直接整理。內存回收和整理結束后，如果存在足夠的連續空閑內存，則繼續分配透明大頁。
defer
當系統分配不出透明大頁時，轉為分配普通的4 KB頁。同時喚醒kswapd內核守護進程以進行內存的后臺回收，喚醒kcompactd內核守護進程以進行內存的后臺整理。一段時間后，如果存在足夠的連續空閑內存，khugepaged內核守護進程將此前分配的4 KB頁合并為2 MB的透明大頁。
madvise
僅在通過madvise()系統調用，并且設置了MADV_HUGEPAGE標記的內存區域中，內存分配行為等同于always。其余部分的內存分配行為保持為：發生缺頁異常時，轉為分配普通的4 KB頁。
說明
在Alibaba Cloud Linux 2的4.19.81-17.2及之后的內核版本中，系統默認設置為madvise。
defer+madvise
僅在通過madvise()系統調用，并且設置了MADV_HUGEPAGE標記的內存區域中，內存分配行為等同于always。其余部分的內存分配行為保持為defer。
never
禁止碎片整理。

khugepaged碎片整理

與khugepaged碎片整理功能相關的重要配置如下：

功能開關
功能開關的配置文件路徑為/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag。可選的配置項如下：
- 0
  關閉khugepaged碎片整理功能。
- 1
  配置為1時，khugepaged內核守護進程會在系統空閑時周期性喚醒，嘗試將連續的4 KB頁合并成2 MB的透明大頁。
  說明
  - 在Alibaba Cloud Linux 2的4.19.91-18及之后的內核版本中，系統默認設置為1。
  - 由于該操作會在內存路徑中加鎖，并且khugepaged內核守護進程可能會在錯誤的時間啟動掃描和轉換大頁，因此存在影響應用性能的可能性。
重試間隔
重試間隔是指當透明大頁THP分配失敗時，khugepaged內核守護進程進行下一次大頁分配前需要等待的時間，來避免短時間內連續發生大頁分配失敗。默認值為60000，單位為毫秒，即默認等待60秒。配置文件路徑為/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/alloc_sleep_millisecs。
喚醒間隔
喚醒間隔是指khugepaged內核守護進程每次喚醒的時間間隔。默認值為10000，單位為毫秒，即默認每10秒喚醒一次。配置文件路徑為/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/scan_sleep_millisecs。
掃描頁數
掃描頁數是指khugepaged內核守護進程每次喚醒后掃描的頁數。默認值為4096個頁。配置文件路徑為/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/pages_to_scan。

THP配置建議

使用THP的影響

透明大頁THP能增加轉譯后備緩沖器TLB命中的幾率，減少內存訪問頁表項PTE時的開銷，使系統獲得性能提升。透明大頁THP試圖進一步釋放運維壓力，不需要應用程序進行特殊修改或配置，使用戶在無感知的情況下享受到性能的提升。然而，透明大頁THP的資源是有限的，當系統達到透明大頁THP分配的瓶頸時，需要使用一系列機制來保證系統的正常運行。在這種情況下，系統的默認配置不一定適用于所有用戶場景。而且默認配置對于許多應用來說可能造成系統性能下降，例如：

如果透明大頁THP的碎片整理開關設置為always，內存緊張時會和普通4 KB頁一樣，出現內存的直接回收或內存的直接整理，這兩個操作均是同步等待的操作，會造成系統性能下降。
如果khugepaged碎片整理的開關設置為1，在khugepaged內核守護進程進行內存合并操作時，會在內存路徑中加鎖。如果khugepaged碎片整理在錯誤的時間被觸發，會對內存敏感型應用造成性能影響。
如果保持開啟透明大頁THP，同時關閉上述兩個碎片整理的開關，則內存分配過程相較于4 KB頁可能會更快地消耗完空閑頁資源，然后系統開始進入內存回收和內存整理的過程，反而更早的出現系統性能下降。

配置建議

綜上所述，透明大頁THP對系統性能的影響，不能一概而論。需要根據業務、系統、應用的實際情況進行調整，下面列舉常見的示例場景供您參考：

重要

請您在修改任何配置文件之前，備份相關配置文件或者創建云盤快照備份數據，避免數據丟失。

如果您對系統內核有足夠信心，建議您參考下列命令，開啟試驗性開關（defer+madvise），使內核的內存后臺回收（kswapd內核守護進程）、內存的后臺整理（kcompactd內核守護進程）與khugepaged內核守護進程盡可能協同工作，在內存整理和性能平穩之間找到平衡點。
```
sudo bash -c "echo 'defer+madvise' > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag"
```
如果您發現系統中的khugepaged內核守護進程達到或接近100%的CPU使用率時，可以考慮增加khugepaged內核守護進程喚醒的間隔時間，比如修改為30秒，示例命令如下。
```
sudo sh -c 'echo 30000 > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/scan_sleep_millisecs'
```
或者直接關閉khugepaged內核守護進程，示例命令如下。
```
sudo sh -c 'echo 0 > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/khugepaged/defrag'
```
在特殊場景下，例如，數據庫應用有大量訪問請求的場景、大量延遲敏感型應用場景或大量短生命周期的內存分配（Short-lived Allocation）場景，如果系統的穩定性比性能更重要，建議關閉透明大頁THP功能。在系統運行時關閉透明大頁THP的示例命令如下。
```
sudo sh -c 'echo "never" > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled'
```
說明
該命令僅在本次系統運行期間有效，系統重啟后透明大頁THP功能仍會開啟。如果需要持久關閉透明大頁THP功能，需以root用戶依次執行下列命令，在內核啟動參數中添加關閉透明大頁THP功能的參數。
```
sudo grubby --args="transparent_hugepage=never" --update-kernel="/boot/vmlinuz-$(uname -r)"
sudo reboot
```

查看THP的使用情況

在系統中查看透明大頁THP的使用情況主要分為系統級別和進程級別，具體說明如下：

系統級別
在系統級別上，透明大頁的相關參數和配置選項可以影響整個系統中的所有進程。在系統中執行下列示例命令，查看透明大頁THP的使用情況。
```
cat /proc/meminfo | grep AnonHugePages
```
系統顯示的示例如下。
```
AnonHugePages:    614400 kB
```
說明
如果系統返回非零值，則說明系統中使用了一定數量的透明大頁THP。
進程級別：在進程級別，可以使用madvise()系統調用以及MADV_HUGEPAGE標記來控制透明大頁的使用。這種方式允許應用程序有選擇地使用透明大頁功能，而不會影響其他進程或整個系統。在系統中執行下列示例命令，查看某個進程使用的透明大頁THP。
```
sudo cat /proc/<PID>/smaps | grep AnonHugePages
```
說明
<PID>需替換為實際的進程的PID。
系統顯示的示例如下。
```
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
AnonHugePages:         0 kB
```

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Alibaba Cloud Linux系統中與透明大頁THP相關的性能調優方法