一文带你实现完全解析HugePages（大内存页）（赶快学习起来~）
我们来分析一下 Linux 内核是怎么实现 HugePages 分配的。
本文使用 Linux 内核 2.6.23 版本
HugePages分配器初始化
在内核初始化时，会调用 hugetlb_init 函数对 HugePages 分配器进行初始化，其实现如下：
hugetlb_init 函数主要完成两个工作：
初始化空闲大内存页链表 hugepage_freelists，这个链表保存了系统中能够使用的大内存。
为系统申请空闲的大内存页，并且保存到 hugepage_freelists 链表中。
我们再来分析下 alloc_fresh_huge_page 函数是怎么申请大内存页的，其实现如下：
所以，alloc_fresh_huge_page 函数主要完成三个工作：
调用 alloc_pages_node 函数申请一个大内存页（2MB）。
设置大内存页的释放回调函数为 free_huge_page，当释放大内存页时，将会调用这个函数进行释放操作。
调用 put_page 函数释放大内存页，其将会调用 free_huge_page 函数进行相关操作。
那么，我们来看看 free_huge_page 函数是怎么释放大内存页的，其实现如下：
free_huge_page 函数主要调用 enqueue_huge_page 函数把大内存页添加到空闲大内存页链表中，其实现如下：
从上面的实现可知，enqueue_huge_page 函数只是简单的把大内存页添加到空闲链表 hugepage_freelists 中，并且增加计数器。
假如我们设置了系统能够使用的大内存页为 100 个，那么空闲大内存页链表 hugepage_freelists 的结构如下图所示：
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所以，HugePages 分配器初始化的调用链为：
hugetlbfs 文件系统
为系统准备好空闲的大内存页后，现在来了解下怎样分配大内存页。在《一文读懂 HugePages的原理》一文中介绍过，要申请大内存页，必须使用 mmap 系统调用把虚拟内存映射到 hugetlbfs 文件系统中的文件中。
免去繁琐的文件系统挂载过程，我们主要来看看当使用 mmap 系统调用把虚拟内存映射到 hugetlbfs 文件系统的文件时会发生什么事情。
每个文件描述符对象都有个 mmap 的方法，此方法会在调用 mmap 函数映射到文件时被触发，我们来看看 hugetlbfs 文件的 mmap 方法所对应的真实函数，如下：
从上面的代码可以发现，hugetlbfs 文件的 mmap 方法被设置为 hugetlbfs_file_mmap 函数。所以当调用 mmap 函数映射 hugetlbfs 文件时，将会调用 hugetlbfs_file_mmap 函数来处理。
而 hugetlbfs_file_mmap 函数最主要的工作就是把虚拟内存分区对象的 vm_flags 字段添加 VM_HUGETLB 标志位，如下代码：
为虚拟内存分区对象设置 VM_HUGETLB 标志位的作用是：当对虚拟内存分区进行物理内存映射时，会进行特殊的处理，下面将会介绍。
虚拟内存与物理内存映射
使用 mmap 函数映射到 hugetlbfs 文件后，会返回一个虚拟内存地址。当对这个虚拟内存地址进行访问（读写）时，由于此虚拟内存地址还没有与物理内存地址进行映射，将会触发 缺页异常，内核会调用 do_page_fault 函数对 缺页异常 进行修复。
我们来看看整个流程，如下图所示：
所以，最终会调用 do_page_fault 函数对 缺页异常 进行修复操作，我们来看看 do_page_fault 做了什么工作，实现如下：
上面代码对 do_page_fault 进行了精简，精简后主要完成4个工作：
获取当前进程对应的内存管理对象。
调用 read_cr2 获取触发缺页异常的虚拟内存地址。
通过触发 缺页异常 的虚拟内存地址获取对应的虚拟内存分区对象。
调用 handle_mm_fault 函数对 缺页异常 进行修复。
我们继续来看看 handle_mm_fault 函数的实现，代码如下：
对 handle_mm_fault 函数进行精简后，逻辑就非常清晰。如果虚拟内存分区使用 HugePages，那么就调用 hugetlb_fault 函数进行处理（由于我们分析使用 HugePages 的情况，所以刚好进入这个分支）。
hugetlb_fault 函数主要对进程的页表进行填充，所以我们先来回顾一下 HugePages 对应的页表结构，如下图：
从上图可以看出，使用 HugePages 后，页中间目录 直接指向物理内存页。所以，hugetlb_fault 函数主要就是对 页中间目录项 进行填充。实现如下：
对 hugetlb_fault 函数进行精简后，主要完成两个工作：
通过触发 缺页异常 的虚拟内存地址找到其对应的 页中间目录项。
调用 hugetlb_no_page 函数对 页中间目录项 进行映射操作。
我们再来看看 hugetlb_no_page 函数怎么对 页中间目录项 进行填充：
通过对 hugetlb_no_page 函数进行精简后，主要完成3个工作：
调用 alloc_huge_page 函数从空闲大内存页链表 hugepage_freelists 中申请一个大内存页。
通过大内存页的物理地址生成页中间目录项的值。
设置页中间目录项的值为上面生成的值。
至此，HugePages 的映射过程已经完成。
还有个问题，就是 CPU 怎么知道 页中间表项 指向的是 页表 还是 大内存页 呢？ 这是因为 页中间表项 有个 PSE 的标志位，如果将其设置为1，那么就表明其指向 大内存页 ，否则就指向 页表。
总结
本文介绍了 HugePages 实现的整个流程，当然本文也只是介绍了申请内存的流程，释放内存的流程并没有分析，如果有兴趣的话可以自己查阅源码。
