巨頁的原理分析
巨頁的原理，概括起來，就是在內核頁面大小一定的情況下，分配物理地址連續的多個頁框，模擬出一個大頁面供用戶態程序訪問，從而減少用戶程序缺頁次數，提高性能。
爲了讓內核將這連續的多個頁框視爲一個整體，各個CPU架構分別做了手腳。
首先，hugetlbfs並不支持read/write。
實際上，巨頁的使用，是通過用戶態mmap一個hugetlbfs文件，然後第一次訪問時缺頁來完成。
例如，對於x86來說，有一個CR3頁表基址寄存器。
當發生普通頁面缺頁時(其實準確的講應該叫tlbmiss)，CPU根據CR3的內容，找到本進程的頁表基址，再依次遍歷頁表，最終定位到具體的頁表項(即pte entry)。
如果是hugetlb所在的虛擬空間缺頁，則do_page_fault會給倒數第二級的pmd entry加一個標誌，
相當於告訴CPU說，pmd entry就是最後一級頁表。那麼當page fault返回，CPU再次訪問缺頁地址時，CPU遍歷頁表，當找到pmd entry就不會往下尋址了，
相當於提高了尋址範圍(此原理在上述ibm文檔中有詳細說明)
對於mips來說，由於頁表的遍歷和TLB的重填是軟件來完成的(x86通過硬件完成)，因此這裏需要對頁表遍歷和TLB重填流程做一定修改。
所以，考察hugetlbfs的mmap驅動，以及hugetlbfs的page fault 。
mmap: hugetlbfs_file_mmap
hugetlbfs_file_mmap主要是對映射到的vma區間設置VM_HUGETLB和VM_RESERVED屬性，前者用來在pagefault流程裏，識別巨頁
區間引發的缺頁，後者用來防止巨頁vma區間所包含的頁被換出。
page fault: hugetlb_fault
hugetlb_fault函數的作用，主要是分配出連續物理頁框，並把頁框地址按一定方式寫到頁表裏。這樣，再次發生tlb重填時，就可以根據頁表裏的
映射寫到tlb裏。
但是hugetlb的缺頁，和普通缺頁的區別又是在哪裏?根據上面的描述，我們提出兩個問題：
1)頁框地址按什麼方式寫到頁表裏
2)tlb重填時，如何根據頁表內容寫入tlb
我們繼續回到hugetlb_fault流程。
[cpp]
int hugetlb_fault(struct mm_struct *mm,struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, unsigned int flags)
{ pte_t *ptep;
ptep = huge_pte_alloc(mm, address,huge_page_size(h));
entry = huge_ptep_get(ptep);
if (huge_pte_none(entry)) {
ret = hugetlb_no_page(mm, vma, address, ptep,flags);
goto out_mutex;
}
}
我們知道，對於普通的缺頁，需生成從pgd到pte的映射樹，
即，以發生缺頁的虛擬地址爲key，依次搜索進程頁表，如果沒有對應的pte表，
就分配一個新的pte表，將pte表地址填入上一級的pmd entry，最後返回pte表裏，addr對應的pte entry地址(見pte_alloc_map函數)
然而對於巨頁來說，假設一個巨頁由n個連續頁框組成，則需要把這n個頁框可能的頁表路徑都先分配好(pgd->pud->pmd->pte)，
也就是比普通缺頁，需要多“確認” (n-1)次頁表路徑的“暢通”。
所以，需要調用huge_pte_alloc函數，給addr --> (addr+n*PAGE_SIZE)的虛擬空間，按照PGAE_SIZE爲步長，依次分配pgd到pte的路徑
當然，這裏最後一步，分配具體頁框還沒有執行。
[cpp]
pte_t *huge_pte_alloc(struct mm_struct *mm,unsigned long addr,
unsigned long sz)
{
pte_t *pte = NULL;
unsigned long i = 0;
unsigned long htlb_entries = 1 <<HUGETLB_PAGE_ORDER;
addr &= HPAGE_MASK;
for (i = 0; i < htlb_entries; i++) {
pte = huge_pte_alloc_single(mm, addr);
if (!pte)
return NULL;
addr += PAGE_SIZE;
}
return pte;
}
其中，htlb_entries是一個巨頁包含的頁框個數。
再接着往下看，如果是第一次訪問巨頁空間，那麼走的是hugetlb_no_page，這是個相對較大的函數。
[cpp]
static int hugetlb_no_page(struct mm_struct*mm, struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, pte_t *ptep, unsignedint flags)
{
idx = vma_hugecache_offset(h, vma, address);
page = find_lock_page(mapping, idx);
if (!page) {
size = i_size_read(mapping->host) >>huge_page_shift(h);
page = alloc_huge_page(vma, address, 0);
err = add_to_page_cache(page, mapping, idx,GFP_KERNEL);
}
new_pte = make_huge_pte(vma, page,((vma->vm_flags & VM_WRITE)
&& (vma->vm_flags &VM_SHARED)));
set_huge_pte_at(mm, address, ptep, new_pte);
}
hugetlb_no_page負責分配一塊連續的頁框，根據一個巨頁所包含的虛擬空間，將所有涉及到的頁表項pte entry，都指向這塊連續頁框的起始地址。這樣，以後無論進程發生在這塊巨頁空間裏任何一處的tlb異常，都會將tlb的pfn指向這塊物理空間，保證完成最終的tlb映射。
vma_hugecache_offset根據傳入的缺頁地址address，計算出此address相對於整個地址空間的index(以巨頁大小爲單位)
接着，根據idx在mapping空間裏找出對應的page， 即巨頁的第一個頁。如果找到不對應的頁，則說明還沒有分配巨頁，於是調用
alloc_huge_page，要麼從hstates高速緩衝，要麼從夥伴系統獲取物理連續的頁框，之後通過
add_to_page_cache加到pagecache裏，可以看出，巨頁文件對應的mapping，都是由巨頁的index構成的radix tree。
緊接着，根據找到的page，生成一個pteentry，並給pte entry設置上_PAGE_HUGE標記，以便在缺頁返回後，再次訪址引起的tlb load異常時，可以
辨識出這是一個巨頁pte entry。
最後，set_huge_pte_at(mm,address,ptep,new_pte)是比較關鍵的地方。
[cpp]
void set_huge_pte_at(struct mm_struct *mm,unsigned long addr, pte_t *ptep,
pte_t entry)
{
unsigned long i;
unsigned long htlb_entries = 1 <<HUGETLB_PAGE_ORDER;
pte_t entry2;
entry2 = __pte(pte_val(entry) + (HPAGE_SIZE>> 1));
addr &= HPAGE_MASK;
for (i = 0; i < htlb_entries; i += 2) {
ptep = huge_pte_offset(mm, addr);
set_pte_at(mm, addr, ptep, entry);
addr += PAGE_SIZE;
ptep = huge_pte_offset(mm, addr);
set_pte_at(mm, addr, ptep, entry2);
addr += PAGE_SIZE;
}
}
這個函數，首先計算出一個巨頁需要htlb_entries個連續頁框，接着，根據hugetlb奇數頁，加上一個巨頁一半大小，算出偶數頁所在的tlb entry2。
接着，對addr到addr+HPAGE_SIZE的空間內，凡是奇數頁地址，都設置爲entry，而偶數頁則都設置爲entry2，示意圖如下：
在 page fault返回後，再次訪址將產生tlbload/store異常。在build_r4000_tlbchange_handler_head函數裏，
經過一系列頁表尋址，找到pte entry條目，由於這個條目之前在hugetlb_no_page已經被設置了_PAGE_HUGE，
因此會走tlb_huge_update-->build_huge_handler_tail-->build_huge_update_entries將獲取到的奇偶頁表項，
寫入entrylo1 和 entrylo 2。
[cpp]
static __cpuinit voidbuild_huge_update_entries(u32 **p,
unsigned int pte,
unsigned int tmp)
{
build_convert_pte_to_entrylo(p,pte);
UASM_i_MTC0(p, pte,C0_ENTRYLO0); /* load it */
uasm_i_ld(p, pte,sizeof(pte_t), tmp);
build_convert_pte_to_entrylo(p,pte);
UASM_i_MTC0(p, pte,C0_ENTRYLO1); /* load it */
uasm_i_ehb(p);
}
其中，uasm_i_ld(p,pte,sizeof(pte_t),tmp)將傳入的奇數頁pte entry指針，加上一個pte_t的長度，取地址內容，得到偶數頁pte entry的值接着通過build_huge_tlb_write_entry(p,l, r, pte, tlb_random);將奇偶數頁都寫入TLB條目。(因爲此時系統中沒有匹配虛擬地址的tlb條目，所以probe失敗，index小於0，會跳過build_huge_tlb_write_entry(p, l, r, pte, tlb_indexed);
直接走r4000_write_huge_probe_fail分支。
[cpp]
static __cpuinit voidbuild_huge_tlb_write_entry(u32 **p,
struct uasm_label **l,
struct uasm_reloc **r,
unsigned int tmp,
enum tlb_write_entry wmode)
{
/* Set huge page tlb entry size*/
uasm_i_lui(p, tmp, PM_HUGE_MASK>> 16);
uasm_i_ori(p, tmp, tmp,PM_HUGE_MASK & 0xffff);
uasm_i_mtc0(p, tmp,C0_PAGEMASK);
build_tlb_write_entry(p, l, r,wmode);
build_restore_pagemask(p, r,tmp, label_leave);
}
首先是根據巨頁大小設置pagemask，接着通過tlbw將pte entry寫入tlb
最後恢復pagemask跳轉至label_leave，tlb load退出。此時系統已經有了可用的巨頁tlb entry，以後訪問此巨頁空間不會再出現tlb miss了。
總結一下，tlb巨頁缺頁流程如下：
tlb miss-->tlb refill填入invalid pte entry-->返回用戶態再次訪址發生tlb load異常-->tlb load異常發現頁表項不在內存中，引發page fault
-->調用hugetlb_fault填充巨頁頁表項-->返回用戶態再次訪址發生tlb load異常(因爲tlb裏仍然是invalid pte entry)-->
根據巨頁頁表項填充TLB條目-->返回用戶態再次訪址，不會出現tlb miss，程序正常運行。