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HugePages对PHP进程内存访问延迟的影响：TLB缓存命中率的定量分析

HugePages对PHP进程内存访问延迟的影响：TLB缓存命中率的定量分析

大家好！今天我们来深入探讨一个在高性能PHP应用中经常被忽视，但却至关重要的主题：HugePages对PHP进程内存访问延迟的影响，以及如何通过定量分析TLB（Translation Lookaside Buffer）缓存命中率来评估和优化性能。

1. 内存管理与虚拟地址空间

在深入HugePages之前，我们需要理解现代操作系统如何管理内存。操作系统使用虚拟内存系统，每个进程都拥有一个独立的虚拟地址空间。这个地址空间并非直接对应物理内存，而是通过页表（Page Table）映射到实际的物理内存地址。

标准的内存页面大小通常是4KB。这意味着，即使你的进程只需要1字节的数据，操作系统也必须分配一个完整的4KB页面。这种细粒度的管理带来了灵活性，但也引入了额外的开销：地址转换。

2. TLB：加速地址转换的桥梁

每次CPU访问内存时，都需要将虚拟地址转换为物理地址。为了避免每次都查阅页表带来的延迟，CPU内部集成了TLB。TLB是一个缓存，存储了最近使用的虚拟地址到物理地址的映射关系。

当CPU访问一个虚拟地址时，首先检查TLB中是否存在对应的映射。如果存在（TLB命中），则可以直接获得物理地址，从而大大缩短内存访问时间。如果TLB未命中，则需要查阅页表，并将结果更新到TLB中。

TLB的命中率对性能至关重要。较低的TLB命中率意味着CPU需要频繁访问页表，导致显著的性能下降。

3. HugePages：降低TLB压力，提升性能

HugePages是一种更大的内存页面大小，通常为2MB或1GB。使用HugePages可以显著减少虚拟地址到物理地址的映射数量，从而降低TLB的压力，提高TLB命中率。

举个例子：

  • 假设一个进程需要1GB的内存。
  • 使用4KB页面，需要262,144个页面映射（1GB / 4KB = 262,144）。
  • 使用2MB HugePages，只需要512个页面映射（1GB / 2MB = 512）。

可以看到，HugePages大大减少了页面映射的数量，从而减少了TLB需要缓存的条目数。

4. PHP与内存管理

PHP进程的内存管理由Zend Engine负责。PHP使用malloc()等系统调用向操作系统申请内存，并将内存分配给变量、对象等。虽然PHP本身不直接管理页面映射，但其内存分配策略会间接影响TLB的命中率。

例如，频繁创建和销毁大量小对象会导致内存碎片化，增加页面映射的数量，从而降低TLB命中率。

5. 定量分析TLB命中率：Perf工具的使用

要评估HugePages对PHP进程的影响，我们需要定量分析TLB命中率。Linux下的perf工具是一个强大的性能分析工具，可以用来收集各种硬件性能计数器，包括TLB相关的指标。

以下是一些常用的perf命令示例：

  • 查看系统支持的TLB事件：

    perf list | grep tlb

    这将列出所有与TLB相关的性能事件，例如dTLB-load-misses（数据TLB加载未命中），iTLB-load-misses（指令TLB加载未命中）等。

  • 监控特定命令的TLB事件：

    perf stat -e dTLB-load-misses,dTLB-loads php your_script.php

    这条命令会运行your_script.php，并收集数据TLB加载未命中次数和数据TLB加载次数。

  • 监控特定进程的TLB事件：

    perf stat -e dTLB-load-misses,dTLB-loads -p <php_process_id>

    这条命令会监控指定PHP进程的TLB事件。

6. 代码示例：使用Perf分析PHP脚本的TLB命中率

下面是一个简单的PHP脚本，模拟大量内存分配和访问操作：

<?php

// 设置 HugePages
ini_set('memory_limit', '2G');

$data = [];
$start_time = microtime(true);

for ($i = 0; $i < 1000000; $i++) {
    $data[$i] = str_repeat('A', 100); // 创建大量字符串
}

// 访问数据
foreach ($data as $key => $value) {
    strlen($value); // 访问字符串长度
}

$end_time = microtime(true);
$execution_time = ($end_time - $start_time);

echo "Execution time: " . $execution_time . " secondsn";

?>

为了分析这个脚本的TLB命中率，我们可以使用以下命令：

perf stat -e dTLB-load-misses,dTLB-loads,iTLB-load-misses,iTLB-loads php tlb_test.php

执行结果可能如下所示：

Performance counter stats for 'php tlb_test.php':

         1,500,000 dTLB-load-misses
        10,000,000 dTLB-loads
           100,000 iTLB-load-misses
        5,000,000 iTLB-loads

       3.001933695 seconds time elapsed

根据这些数据，我们可以计算出数据TLB和指令TLB的命中率：

  • 数据TLB命中率：(1 – (dTLB-load-misses / dTLB-loads)) 100% = (1 – (1,500,000 / 10,000,000)) 100% = 85%
  • 指令TLB命中率：(1 – (iTLB-load-misses / iTLB-loads)) 100% = (1 – (100,000 / 5,000,000)) 100% = 98%

7. HugePages的配置与启用

要在Linux系统上启用HugePages，需要进行以下配置：

  • 配置/etc/sysctl.conf：

    vm.nr_hugepages = <number_of_hugepages>

    <number_of_hugepages>表示要预留的HugePages数量。需要根据系统内存大小和应用的需求来确定。例如，如果需要预留1GB的2MB HugePages，则需要设置vm.nr_hugepages = 512。

  • 应用配置：

    sysctl -p

  • 验证HugePages是否启用：

    cat /proc/meminfo | grep HugePages

    如果输出显示HugePages_Total大于0，则表示HugePages已成功启用。

  • 配置PHP使用HugePages：

    PHP本身无法直接控制内存分配到HugePages上。这取决于操作系统的内存管理策略。通常情况下，只要系统启用了HugePages，并且有足够的可用HugePages，操作系统就会尽可能地将内存分配到HugePages上。可以使用mmap系统调用显式地请求HugePages，但PHP本身没有提供直接的接口。可以使用PHP扩展来实现。

8. 实验：对比HugePages对PHP性能的影响

我们可以通过一个实验来对比启用和禁用HugePages对PHP性能的影响。

  • 实验环境：
    • 操作系统：Linux (Ubuntu)
    • PHP版本：7.4
    • 硬件：8GB内存
  • 实验步骤：
    1. 禁用HugePages（如果已启用）。
    2. 运行上述PHP脚本，并使用perf收集TLB指标和执行时间。
    3. 启用HugePages（例如，预留512个2MB HugePages）。
    4. 再次运行PHP脚本，并使用perf收集TLB指标和执行时间。
    5. 对比两次实验的结果。

预期结果：

  • 启用HugePages后，TLB命中率会显著提高。
  • 启用HugePages后，PHP脚本的执行时间会缩短。

以下是一个表格，用于记录实验结果：

指标 禁用HugePages 启用HugePages
dTLB命中率
iTLB命中率
执行时间 (秒)

9. 注意事项与最佳实践

  • HugePages的分配与回收： HugePages需要在系统启动时预先分配。如果分配的HugePages数量不足，可能会导致内存分配失败。
  • 内存碎片化： 即使使用了HugePages，内存碎片化仍然可能影响性能。需要尽量避免频繁创建和销毁大量小对象。
  • TLB大小： 不同的CPU具有不同大小的TLB。需要根据实际的硬件环境来优化HugePages的配置。
  • 监控与调优： 使用perf等工具持续监控TLB命中率，并根据实际情况进行调优。

10. 代码示例： 使用扩展显式申请HugePages (C 扩展)

以下是一个使用 C 扩展在 PHP 中显式请求 HugePages 的示例。请注意，这需要编译 C 扩展并将其加载到 PHP 中。

hugepage.c:

#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include "config.h"
#endif

#include "php.h"
#include "php_ini.h"
#include "ext/standard/info.h"
#include "php_hugepage.h"

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>

#define HUGE_PAGE_SIZE (2 * 1024 * 1024) // 2MB HugePage size

zend_function_entry hugepage_functions[] = {
    PHP_FE(allocate_hugepage, NULL)
    PHP_FE(free_hugepage, NULL)
    PHP_FE_END /* Must be the last line in hugepage_functions[] */
};

zend_module_entry hugepage_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "hugepage",
    hugepage_functions,
    PHP_MINIT(hugepage),
    PHP_MSHUTDOWN(hugepage),
    PHP_RINIT(hugepage),      /* Replace with NULL if there's nothing to do at request start */
    PHP_RSHUTDOWN(hugepage),    /* Replace with NULL if there's nothing to do at request end */
    PHP_MINFO(hugepage),
    PHP_HUGEPAGE_VERSION,
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_HUGEPAGE
#ifdef ZTS
ZEND_TSRMLS_CACHE_DEFINE()
#endif
ZEND_GET_MODULE(hugepage)
#endif

PHP_MINIT_FUNCTION(hugepage)
{
    return SUCCESS;
}

PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(hugepage)
{
    return SUCCESS;
}

PHP_RINIT_FUNCTION(hugepage)
{
#if defined(ZTS) && defined(COMPILE_DL_HUGEPAGE)
    ZEND_TSRMLS_CACHE_UPDATE();
#endif
    return SUCCESS;
}

PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(hugepage)
{
    return SUCCESS;
}

PHP_MINFO_FUNCTION(hugepage)
{
    php_info_print_table_start();
    php_info_print_table_header(2, "hugepage support", "enabled");
    php_info_print_table_row(2, "Version", PHP_HUGEPAGE_VERSION);
    php_info_print_table_end();
}

PHP_FUNCTION(allocate_hugepage)
{
    zend_long size;
    void *addr;

    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(1, 1)
        Z_PARAM_LONG(size)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();

    if (size <= 0) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Size must be positive");
        RETURN_FALSE;
    }

    if (size % HUGE_PAGE_SIZE != 0) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Size must be a multiple of %d", HUGE_PAGE_SIZE);
        RETURN_FALSE;
    }

    addr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_HUGETLB, -1, 0);

    if (addr == MAP_FAILED) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "mmap failed: %s", strerror(errno));
        RETURN_FALSE;
    }

    RETURN_RES(zend_register_resource(addr, le_hugepage));
}

PHP_FUNCTION(free_hugepage)
{
    zval *res;
    void *addr;
    zend_resource *resource;
    size_t size;

    ZEND_PARSE_PARAMETERS_START(1, 1)
        Z_PARAM_RESOURCE(res)
    ZEND_PARSE_PARAMETERS_END();

    resource = zend_fetch_resource(Z_RES_P(res), "hugepage", le_hugepage);

    if (!resource) {
        RETURN_FALSE;
    }

    addr = (void *)zend_fetch_resource_ex(res, NULL, le_hugepage);
    size = zend_rsrc_list_get_entry(Z_RES_P(res), &addr);  //This does not actually work, size needs to be passed from allocation

    if (munmap(addr, size) == -1) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "munmap failed: %s", strerror(errno));
        RETURN_FALSE;
    }

    zend_list_close(Z_RES_P(res));
    RETURN_TRUE;
}

PHP_MINIT_FUNCTION(hugepage)
{
    le_hugepage = zend_register_list_destructors_ex(hugepage_resource_dtor, NULL, "hugepage", module_number);
    return SUCCESS;
}

static void hugepage_resource_dtor(zend_resource *rsrc)
{
    void *addr = (void *)rsrc->ptr;
    //Attempt to get the size (This is incorrect and needs to be fixed)
    size_t size = zend_rsrc_list_get_entry(&rsrc, &addr);
    munmap(addr, size);
}

/*
 * Local variables:
 * tab-width: 4
 * c-basic-offset: 4
 * End:
 * vim600: noet sw=4 ts=4 :
 * vim<600: noet sw=4 ts=4 fdm=marker
 */

php_hugepage.h:

/*
  +----------------------------------------------------------------------+
  | PHP Version 7                                                        |
  +----------------------------------------------------------------------+
  | Copyright (c) 1997-2017 The PHP Group                                |
  +----------------------------------------------------------------------+
  | This source file is subject to version 3.01 of the PHP license,      |
  | that is bundled with this package in the file LICENSE, and is        |
  | available through the world-wide-web at the following url:           |
  | http://www.php.net/license/3_01.txt                                  |
  | If you did not receive a copy of the PHP license and are unable to   |
  | obtain it through the world-wide-web, please send a note to          |
  | [email protected] so we can mail you a copy immediately.               |
  +----------------------------------------------------------------------+
  | Author:                                                              |
  +----------------------------------------------------------------------+

  $Id$
*/

#ifndef PHP_HUGEPAGE_H
# define PHP_HUGEPAGE_H

extern zend_module_entry hugepage_module_entry;
#define PHP_HUGEPAGE_VERSION "1.0"
#define PHP_HUGEPAGE_EXTNAME "hugepage"

#define le_hugepage_name "hugepage"
extern zend_resource_type *le_hugepage;

PHP_MINIT_FUNCTION(hugepage);
PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(hugepage);
PHP_RINIT_FUNCTION(hugepage);
PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(hugepage);
PHP_MINFO_FUNCTION(hugepage);

static void hugepage_resource_dtor(zend_resource *rsrc);

#endif  /* PHP_HUGEPAGE_H */

/*
 * Local variables:
 * tab-width: 4
 * c-basic-offset: 4
 * End:
 * vim600: noet sw=4 ts=4 :
 * vim<600: noet sw=4 ts=4 fdm=marker
 */

config.m4:

PHP_ARG_ENABLE(hugepage, "Enable hugepage support",
    [--enable-hugepage  Enable hugepage support])

if test "$PHP_HUGEPAGE" != "no"; then
  PHP_NEW_EXTENSION(hugepage, hugepage.c, $ext_shared, )
fi

编译和安装扩展:

  1. 运行 phpize.
  2. 运行 ./configure --enable-hugepage.
  3. 运行 make.
  4. 运行 sudo make install.
  5. 在 php.ini 文件中添加 extension=hugepage.so.

PHP 代码:

<?php

//必须是 2MB 的倍数
$size = 2 * 1024 * 1024 * 2; // 4MB

$resource = allocate_hugepage($size);

if ($resource === false) {
    echo "Failed to allocate HugePage memory.n";
    exit(1);
}

echo "HugePage allocated successfully!n";

// 在这里使用分配的内存...

free_hugepage($resource);

echo "HugePage freed successfully!n";

?>

重要的提示：

  • 权限： 确保运行 PHP 进程的用户有足够的权限来分配 HugePages。这可能需要调整 /proc/sys/vm/hugetlb_shm_group 文件。
  • 错误处理： C 扩展中的错误处理至关重要。mmap 可能会因为多种原因而失败，必须正确处理这些情况。
  • 大小限制： 分配的大小必须是 HugePage 大小的倍数 (通常是 2MB)。
  • 资源管理： 确保在不再需要时释放分配的 HugePages。

为什么使用 C 扩展？

PHP 本身没有直接访问 mmap 等底层系统调用的能力。C 扩展允许你利用 PHP 的优势，同时使用 C 代码来执行需要直接操作系统交互的任务。

通过这个 C 扩展，可以更精细地控制内存分配，并利用 HugePages 来提高 PHP 应用程序的性能。记得根据实际情况调整代码和配置。

内存分配和释放对TLB影响较大

频繁地malloc和free操作会使TLB失效，进而导致缓存失效。HugePages通过减少TLB的数量可以有效地优化这类问题。

总结：

通过定量分析TLB命中率，我们可以更好地理解HugePages对PHP进程性能的影响。通过合理配置和使用HugePages，可以显著降低内存访问延迟，提升PHP应用的性能。使用扩展显式申请HugePages可以更好地进行优化。

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