Question

我一直在尝试使用mremap（）。我希望能够以高速移动虚拟内存页面。至少比复制它们更快的速度。我有一些算法的想法，可以利用能够快速移动内存页面。问题是，下面的程序显示mremap（）非常慢 - 至少在我的i7笔记本电脑上 - 与实际逐字节复制相同的内存页面相比。

测试源代码如何工作？ mmap（）256 MB的RAM比CPU高速缓存大。迭代20万次。在每次迭代时，使用特定的交换方法交换两个随机内存页面。使用基于mremap（）的页面交换方法运行一次和时间。使用逐字节复制交换方法再次运行和时间。事实证明，mremap（）每秒仅管理71,577次页面交换，而逐字节复制每秒管理高达287,879次页面交换。所以mremap（）比逐字节复制慢4倍！

问题：

为什么mremap（）这么慢？

是否有另一个用户级或内核可调用页面映射操作API可能更快？

是否有另一个user-land或kernel-land可调页面映射操作API允许在一次调用中重新映射多个非连续页面？

是否有支持此类事情的内核扩展？

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define __USE_GNU
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/errno.h>
#include <asm/ldt.h>
#include <asm/unistd.h>    

// gcc mremap.c && perl -MTime::HiRes -e '$t1=Time::HiRes::time;system(q[TEST_MREMAP=1 ./a.out]);$t2=Time::HiRes::time;printf qq[%u per second\n],(1/($t2-$t1))*200_000;'
// page size = 4096
// allocating 256 MB
// before 0x7f8e060bd000=0
// before 0x7f8e060be000=1
// before 0x7f8e160bd000
// after  0x7f8e060bd000=41
// after  0x7f8e060be000=228
// 71577 per second

// gcc mremap.c && perl -MTime::HiRes -e '$t1=Time::HiRes::time;system(q[TEST_COPY=1 ./a.out]);$t2=Time::HiRes::time;printf qq[%u per second\n],(1/($t2-$t1))*200_000;'
// page size = 4096
// allocating 256 MB
// before 0x7f1a9efa5000=0
// before 0x7f1a9efa6000=1
// before 0x7f1aaefa5000
// sizeof(i)=8
// after  0x7f1a9efa5000=41
// after  0x7f1a9efa6000=228
// 287879 per second

// gcc mremap.c && perl -MTime::HiRes -e '$t1=Time::HiRes::time;system(q[TEST_MEMCPY=1 ./a.out]);$t2=Time::HiRes::time;printf qq[%u per second\n],(1/($t2-$t1))*200_000;'
// page size = 4096
// allocating 256 MB
// before 0x7faf7c979000=0
// before 0x7faf7c97a000=1
// before 0x7faf8c979000
// sizeof(i)=8
// after  0x7faf7c979000=41
// after  0x7faf7c97a000=228
// 441911 per second

/*
 * Algorithm:
 * - Allocate 256 MB of memory
 * - loop 200,000 times
 *   - swap a random 4k block for a random 4k block
 * Run the test twice; once for swapping using page table, once for swapping using CPU copying!
 */

#define PAGES (1024*64)

int main() {
    int PAGE_SIZE = getpagesize();
    char* m = NULL;
    unsigned char* p[PAGES];
    void* t;

    printf("page size = %d\n", PAGE_SIZE);

    printf("allocating %u MB\n", PAGE_SIZE*PAGES / 1024 / 1024);
    m = (char*)mmap(0, PAGE_SIZE*(1+PAGES), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED  | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    t = &m[PAGES*PAGE_SIZE];
    {
        unsigned long i;
        for (i=0; i<PAGES; i++) {
            p[i] = &m[i*PAGE_SIZE];
            memset(p[i], i & 255, PAGE_SIZE);
        }
    }

    printf("before %p=%u\n", p[0], p[0][0]);
    printf("before %p=%u\n", p[1], p[1][0]);
    printf("before %p\n", t);

    if (getenv("TEST_MREMAP")) {
        unsigned i;
        for (i=0; i<200001; i++) {
            unsigned p1 = random() % PAGES;
            unsigned p2 = random() % PAGES;
    //      mremap(void *old_address, size_t old_size, size_t new_size,int flags, /* void *new_address */);
            mremap(p[p2], PAGE_SIZE, PAGE_SIZE, MREMAP_FIXED | MREMAP_MAYMOVE, t    );
            mremap(p[p1], PAGE_SIZE, PAGE_SIZE, MREMAP_FIXED | MREMAP_MAYMOVE, p[p2]);
            mremap(t    , PAGE_SIZE, PAGE_SIZE, MREMAP_FIXED | MREMAP_MAYMOVE, p[p1]); // p3 no longer exists after this!
        } /* for() */
    }
    else if (getenv("TEST_MEMCPY")) {
        unsigned long * pu[PAGES];
        unsigned long   i;
        for (i=0; i<PAGES; i++) {
            pu[i] = (unsigned long *)p[i];
        }
        printf("sizeof(i)=%lu\n", sizeof(i));
        for (i=0; i<200001; i++) {
            unsigned p1 = random() % PAGES;
            unsigned p2 = random() % PAGES;
            unsigned long * pa = pu[p1];
            unsigned long * pb = pu[p2];
            unsigned char t[PAGE_SIZE];
            //memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
            memcpy(t , pb, PAGE_SIZE);
            memcpy(pb, pa, PAGE_SIZE);
            memcpy(pa, t , PAGE_SIZE);
        } /* for() */
    }
    else if (getenv("TEST_MODIFY_LDT")) {
        unsigned long * pu[PAGES];
        unsigned long   i;
        for (i=0; i<PAGES; i++) {
            pu[i] = (unsigned long *)p[i];
        }
        printf("sizeof(i)=%lu\n", sizeof(i));
        // int modify_ldt(int func, void *ptr, unsigned long bytecount);
        // 
        // modify_ldt(int func, void *ptr, unsigned long bytecount);
        // modify_ldt() reads or writes the local descriptor table (ldt) for a process. The ldt is a per-process memory management table used by the i386 processor. For more information on this table, see an Intel 386 processor handbook.
        // 
        // When func is 0, modify_ldt() reads the ldt into the memory pointed to by ptr. The number of bytes read is the smaller of bytecount and the actual size of the ldt.
        // 
        // When func is 1, modify_ldt() modifies one ldt entry. ptr points to a user_desc structure and bytecount must equal the size of this structure.
        // 
        // The user_desc structure is defined in <asm/ldt.h> as:
        // 
        // struct user_desc {
        //     unsigned int  entry_number;
        //     unsigned long base_addr;
        //     unsigned int  limit;
        //     unsigned int  seg_32bit:1;
        //     unsigned int  contents:2;
        //     unsigned int  read_exec_only:1;
        //     unsigned int  limit_in_pages:1;
        //     unsigned int  seg_not_present:1;
        //     unsigned int  useable:1;
        // };
        //
        // On success, modify_ldt() returns either the actual number of bytes read (for reading) or 0 (for writing). On failure, modify_ldt() returns -1 and sets errno to indicate the error.
        unsigned char ptr[20000];
        int result;
        result = modify_ldt(0, &ptr[0], sizeof(ptr)); printf("result=%d, errno=%u\n", result, errno);
        result = syscall(__NR_modify_ldt, 0, &ptr[0], sizeof(ptr)); printf("result=%d, errno=%u\n", result, errno);
        // todo: how to get these calls returning a non-zero value?
    }
    else {
        unsigned long * pu[PAGES];
        unsigned long   i;
        for (i=0; i<PAGES; i++) {
            pu[i] = (unsigned long *)p[i];
        }
        printf("sizeof(i)=%lu\n", sizeof(i));
        for (i=0; i<200001; i++) {
            unsigned long j;
            unsigned p1 = random() % PAGES;
            unsigned p2 = random() % PAGES;
            unsigned long * pa = pu[p1];
            unsigned long * pb = pu[p2];
            unsigned long t;
            for (j=0; j<(4096/8/8); j++) {
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
                t = *pa; *pa ++ = *pb; *pb ++ = t;
            }
        } /* for() */
    }

    printf("after  %p=%u\n", p[0], p[0][0]);
    printf("after  %p=%u\n", p[1], p[1][0]);
    return 0;
}

更新：所以我们不需要质疑'往返内核空间'的速度有多快，这是一个进一步的性能测试程序，它表明我们可以连续3次调用getpid（），每秒81,916,192次在同一台i7笔记本电脑上：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

// gcc getpid.c && perl -MTime::HiRes -e '$t1=Time::HiRes::time;system(q[TEST_COPY=1 ./a.out]);$t2=Time::HiRes::time;printf qq[%u per second\n],(1/($t2-$t1))*100_000_000;'
// running_total=8545800085458
// 81916192 per second

/*
 * Algorithm:
 * - Call getpid() 100 million times.
 */

int main() {
    unsigned i;
    unsigned long running_total = 0;
    for (i=0; i<100000001; i++) {
        /*      123123123 */
        running_total += getpid();
        running_total += getpid();
        running_total += getpid();
    } /* for() */
    printf("running_total=%lu\n", running_total);
}

更新2：我添加了WIP代码来调用我发现的名为modify_ldt（）的函数。手册页提示可以进行页面操作。但是，无论我尝试什么，当我期望它返回读取的字节数时，函数总是返回零。 'man modify_ldt'表示“成功时，modify_ldt（）返回读取的实际字节数（用于读取）或0（用于写入）。失败时，modify_ldt（）返回-1并设置errno以指示错误。”任何想法（一）是否modify_ldt（）将是mremap（）的替代？（b）如何让modify_ldt（）工作？

Answer 1

似乎没有比memcpy（）重新排序内存页面更快的用户登陆机制。 mremap（）速度慢得多，因此仅用于重新调整先前使用mmap（）分配的内存区域。

但是我听到你说的页面表必须非常快！用户域可以每秒数百次调用内核函数！以下参考资料有助于解释为什么mremap（）如此缓慢：

"An Introduction to Intel Memory Management"是对内存页面映射理论的一个很好的介绍。

"Key concepts of Intel virtual memory"显示如何更详细地工作，以防您计划编写自己的操作系统： - ）

"Sharing Page Tables in the Linux Kernel"显示了一些困难的Linux内存页面映射架构决策及其对性能的影响。

将所有三个引用放在一起然后我们可以看到，到目前为止，内核架构师几乎没有花费精力将内存页面映射以有效的方式暴露给用户域。即使在内核中，也必须使用最多三个锁定来完成对页面表的操作。

继续前进，由于页面表本身由4k页组成，因此可以更改内核，以便特定页表页对于特定线程是唯一的，并且可以假定其具有无锁访问权限。过程的持续时间。这将有助于通过用户土地非常有效地操纵该特定页面表页面。但这超出了原始问题的范围。

Answer 2

是什么让您认为mremap可以有效地交换单个4k页面？至少，内核空间的往返甚至只是为了读取单个值（如pid）并返回它将花费比移动4k数据更多的成本。那是在我们得到重新映射内存的缓存失效/ TLB成本之前，我不太清楚这个问题在这个答案中解决，但是应该有一些严重的成本。

mremap基本上对一件事很有用：为realloc提供服务的大型分配实施mmap。从大到大，我的意思是至少可以达到100k。

移动内存页面的速度比mremap（）更快？

2 个答案: