ご存知のとおり、Linux はページ単位でメモリを管理します。ディスクからメモリにデータをロードする場合でも、メモリからディスクにデータを書き戻す場合でも、オペレーティングシステムはページ単位で動作します。つまり、1 バイトのデータをディスクに書き込むだけの場合、オペレーティングシステムはフラッシュする必要もあります。ページ全体のすべてのデータをディスクに書き込みます。

Linux では、操作に通常サイズのメモリページを使用することも、巨大なメモリページ (ヒュージページ) を使用することもできることに注意してください。ただし、ほとんどのプロセッサのメモリページのデフォルトサイズは 4KB です。ただし、一部のプロセッサでは、デフォルトのページサイズは 8KB、16KB、または 64KB。通常のメモリページサイズに加えて、プロセッサごとに異なる巨大ページサイズがサポートされます。たとえば、x86 プロセッサでは、2MB サイズのメモリページを使用できます。

4KB メモリページは歴史的な遺物となっており、このページサイズは 1980 年代から広く採用され、現在でも残っています。現在のハードウェアは昔に比べて豊かになっていますが、依然として過去から受け継がれている 4KB のメモリページサイズにこだわっています。通常、次の図に示すように、メモリを取り付けるときにメモリモジュールの仕様を明確に確認できます。

図 1 – ランダムアクセスメモリ

現在、4KB のメモリページサイズは最良の選択ではない可能性があります。8KB または 16KB の方が適切な選択かもしれませんが、これは特定のシナリオで過去に行われたトレードオフです。この記事では、4KB という数字にあまりこだわりすぎず、この結果を決定するいくつかの要因にもっと注意を払い、同様のシナリオに遭遇したときにこれらの側面から最善の選択を検討できるようにする必要があります。この記事では、メモリページサイズに影響を与える次の 2 つの要素を紹介します。

ページサイズが小さすぎると、ページテーブルエントリが大きくなり、TLB (変換ルックアサイドバッファ) の検索速度が増加し、アドレス指定時のオーバーヘッドが増加します。

ページサイズが大きすぎると、メモリ領域が無駄になり、メモリの断片化が発生し、メモリ使用率が低下します;

前世紀では、メモリページサイズを設計する際に上記 2 つの要素が十分に考慮され、最終的にオペレーティングシステムの最も一般的なページサイズとして 4KB メモリページが選択されました。上記はオペレーティングシステムのパフォーマンスに影響します。

ページテーブルエントリ Linux の仮想メモリについては、「Linux に仮想メモリが必要な理由」の記事で紹介しました。各プロセスが認識できるのは、独立した仮想メモリ空間です。仮想メモリ空間は論理的な概念にすぎません。プロセスは依然として仮想メモリにアクセスする必要があります。メモリは物理メモリに相当し、仮想メモリから物理メモリへの変換には各プロセスが保持するページテーブルを使用する必要があります。

128 TiB 仮想メモリのマップされたデータを 64 ビットオペレーティングシステムに保存するために、Linux は 2.6.10 で仮想アドレス変換を支援する 4 層ページテーブルを導入し、5 層ページテーブル構造が導入されました。 4.11 で導入されました。将来的には、64 ビット仮想アドレスをサポートするために、より多くのページテーブル構造の層が導入される可能性があります。

図 2 – 4 層のページテーブル構造为什么 Linux 系统默认页大小是 4KB

上図に示す 4 層のページテーブル構造では、オペレーティングシステムは最下位 12 ビットをページオフセットとして使用し、残りの 36 ビットは 4 つのグループに分割され、前のレベルの現在のレベルを表します。すべての仮想アドレスは、上記の多層ページテーブルを使用して、対応する物理アドレスを見つけることができます。

オペレーティングシステムの仮想アドレス空間のサイズは決まっているため、仮想アドレス空間全体が同じサイズの N 個のメモリページに均等に分割されるため、メモリページのサイズが最終的にページテーブルのレベルを決定します。各プロセスのエントリの構造と特定の数、仮想ページのサイズが小さいほど、単一プロセス内のページテーブルエントリと仮想ページの数が多くなります。

PagesCount=仮想メモリ ÷ ページサイズ

現在の仮想ページのサイズは 4096 バイトであるため、仮想アドレスの末尾の 12 ビットは仮想ページ内のアドレスを表すことができます。仮想ページのサイズが 512 バイトに縮小されると、元の 4-レベルページテーブル構造または 5 レベルページテーブル構造階層化されたページテーブル構造は 5 層または 6 層になり、メモリアクセスの追加オーバーヘッドが増加するだけでなく、各プロセスでページテーブルエントリが占有するメモリサイズも増加します。。

断片化

メモリマッピングデバイスはメモリページレベルで動作するため、オペレーティングシステムはメモリ割り当ての最小単位が仮想ページであると認識します。ユーザープログラムが 1 バイトのメモリしか適用しない場合でも、次の図に示すように、オペレーティングシステムはそのメモリページの仮想ページを適用します。メモリページのサイズが 24KB の場合、1 バイトのメモリを適用すると、スペースの ~99.9939% が無駄になります。

図 3 – 大規模メモリの断片化

メモリページサイズが大きくなると、メモリの断片化がますます深刻になります。メモリページが小さいと、メモリ空間内のメモリの断片化が減少し、メモリの使用率が向上します。前世紀には、メモリリソースは今日ほど豊富ではありませんでした。ほとんどの場合、メモリはプログラムの実行を制限するリソースではありません。ほとんどのオンラインサービスは、メモリではなく、より多くの CPU を必要とします。ただし、前世紀においてメモリは実際には希少なリソースであったため、希少なリソースの利用率を向上させることを考慮する必要があります。

図 4 – メモリの価格

1980 年代と 1990 年代のメモリスティックはわずか 512 KB または 2 MB で、価格は途方もなく高価でした。しかし、今日では数 GB のメモリが非常に一般的であるため、メモリ使用率は依然として非常に重要ですが、メモリの価格は今日、大幅な削減により、断片化されたメモリは解決すべき重要な問題ではなくなりました。

メモリ使用量に加えて、メモリページが大きくなると、メモリコピーのオーバーヘッドも増加します。Linux のコピーオンライトメカニズムにより、複数のプロセスが同じメモリを共有する場合、プロセスの 1 つが共有メモリを変更すると、仮想メモリはメモリページのコピーをトリガーしますが、このとき、オペレーティングシステムのメモリページが小さいほど、コピーオンライトによって生じる追加のオーバーヘッドも小さくなります。

要約

上で述べたように、4KB メモリページは前世紀に決定されたデフォルト設定です。今日の観点から見ると、これはおそらく間違った選択です。Arm64、ia64 およびその他のアーキテクチャはすでにそれをサポートしています。8KB、16KB、およびメモリの価格がますます低くなり、システムメモリがますます大容量になるにつれて、オペレーティングシステムにとってより大きなメモリがより良い選択になる可能性があります。メモリページサイズを決定する 2 つの要素を確認してみましょう:

# ページサイズが大きすぎると、メモリ領域が無駄になり、メモリの断片化が発生し、メモリ使用率が低下しますが、プロセス内のページテーブルエントリと TLB アドレッシング時間を削減できます;
最後に、関連する比較的未解決の質問をいくつか見てみましょう。興味のある読者は、次の質問について慎重に検討してください。

Linux ではブロックサイズはどのように決定されますか?一般的なサイズは何ですか?

以上がLinux システムのデフォルトのページサイズが 4KB である理由の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。