知识点滴 -- KingbaseES HugePage 与性能

原创 KINGBASE研究院 2023-12-22

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Linux 将物理内存分为4k 的页面，而每个进程有自己独立的虚拟内存空间，虚拟内存与物理内存之间的映射关系是通过页表（PageTables）来记录。对于32位的系统，每个页表项需要4个字节来对应一个物理内存4K 页面（64位需要8字节），也就是说，如果用户的虚拟内存空间1GB，那就页表需要1MB的内存。

一、使用4K的页面，页表可能占用大量内存

对于数据库服务器来说，每个服务端进程需要访问的虚拟内存空间比较大（shared_buffer，以及私有内存空间），其对应的页表也比较大。以10GB的shared_buffer为例，如果用户的服务端进程访问了所有buffer，那所需的页表就是10MB，对于500个进程，那就是5GB，这会占用大量的内存。

PS：以上的1GB需要1MB的页表是基于一级页表的计算的结果，如果采用二级页表，那页表需要的空间就只需要8K。相比于一级页表，二级页表性能上有差距，但占用内存空间小很多。不同操作系统在确定页表级数时会在性能与占用空间上进行折中。

可以查看当前操作系统页面大小：

[root@dbhost01 transparent_hugepage]# getconf PAGE_SIZE
4096

可以查看 /proc/meminfo 确认PageTables 占用大小

[kingbase@dbhost01 ~]$ cat /proc/meminfo | grep PageTables
PageTables:        34892 kB

二、使用大页

4K页面导致页表占用大量空间，而使用大页，通常是2MB，可以减少页表占用空间。此外，大页的内存锁定在物理内存中，不能swapout，这能保证数据库的shared_buffer不被交换出去。

1、关闭 Transparent Huge Pages 透明大页

THP无需预先配置，随着应用需要自动创建、管理、使用大页。进程在需要大内存时，自动会分配大页。如以下KingbaseES 服务端的进程，就使用了THP。

[root@dbhost01 ~]# pmap -d 176489
176489:   kingbase: system test [local] idle
Address           Kbytes Mode  Offset           Device    Mapping
0000000000400000    8928 r-x-- 0000000000000000 008:00010 kingbase
0000000000eb8000       4 r---- 00000000008b8000 008:00010 kingbase
0000000000eb9000     120 rw--- 00000000008b9000 008:00010 kingbase
0000000000ed7000     332 rw--- 0000000000000000 000:00000   [ anon ]
00000000024dc000    1568 rw--- 0000000000000000 000:00000   [ anon ]
0000000002664000    2304 rw--- 0000000000000000 000:00000   [ anon ]
00007f091f06b000    1544 rw--- 0000000000000000 000:00000   [ anon ]
00007f091f1ed000      44 r-x-- 0000000000000000 0fd:00000 libnss_files-2.28.so
00007f091f1f8000    2048 ----- 000000000000b000 0fd:00000 libnss_files-2.28.so
00007f091f3f8000       4 r---- 000000000000b000 0fd:00000 libnss_files-2.28.so
00007f091f3f9000       4 rw--- 000000000000c000 0fd:00000 libnss_files-2.28.so
00007f091f3fa000      24 rw--- 0000000000000000 000:00000   [ anon ]
00007f091f400000  397312 rw-s- 0000000000000000 000:0000f anon_hugepage (deleted)  -- 使用了THP
00007f093784a000     260 rw--- 0000000000000000 000:00000   [ anon ]
......

系统使用了多少THP，可以通过查看 /proc/meminfo 确认。

[root@dbhost01 ~]# cat /proc/meminfo | grep AnonHugePages
AnonHugePages:    124928 kB

透明大页频繁的创建、删除，容易导致内存碎片。透明大页是默认打开的，分配页的大小并不可控，对于数据库来说并不太推荐。通常，对于数据库来说，需要固定大小的大页，这个是透明大页所提供不了的。因此，通常推荐的是打开大页，并且要关闭透明大页。

可通过如下方式关闭THP。如果想永久关闭THP，必须将以下echo 命令加入到/etc/rc.d/rc.local 文件中。

[root@dbhost01 ~]# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
[always] madvise never
[root@dbhost01 ~]# echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
[root@dbhost01 ~]# echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
[root@dbhost01 ~]# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
always madvise [never]
[root@dbhost01 ~]# cat /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
always defer defer+madvise madvise [never]

2、使用固定大小的Huge Pages

KingbaseES只有shared buffer、temp_buffers、wal_buffers这些静态分配的内存可以使用大页。而work_mem、maintenance_work_mem、autovacuum_work_mem这些动态内存的分配不会使用大页。如果修改了相关内存参数，需要重新计算操作系统所需的Huge Page数，以防服务端无法启动（分配大页过少）或者部分大页内存没有被使用（分配大页过多）且无法释放而造成浪费。

操作系统配置：

--操作系统内核参数：
vm.hugetlb_shm_group = 0
vm.nr_hugepages = 1024

--/etc/security/limits.conf
*   soft   memlock    3500000
*   hard   memlock    3500000

关闭透明大页：

修改/etc/rc.d/rc.local，增加如下脚本：
if test -f /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled; then
	echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
fi
if test -f /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag; then
	echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
Fi
执行如下命令：
chmod +x /etc/rc.d/rc.local
重启操作系统

数据库使用大页：

操作系统配置完成后还需要在数据库层面开启大页，在kingbase.conf中把huge_pages设置成on。注意此设置下如果没有足够的大页面可用，数据库将会启动失败。一般建议默认值try即可。然后重新启动数据库服务生效。重启后，可以通过查看 /proc/meminfo ，确认分配的hugepage 是否被使用。
注意：需要绝对避免操作系统已经分配了HugePage，但数据库启动没有使用大页的场景。这会导致操作系统层大量的内存浪费，引发系统内存不足，甚至引发OOM。