一行代码！Intel 测试揭示 Linux 内核内存分配吞吐量提升 3889%

在技术领域，优化性能的途径通常有两种：一种是通过提升硬件性能，另一种则是通过提高软件效率。无论哪种方式，只要能带来实际的提升，社区都会给予热烈的欢迎。最近，Intel 核心测试机器人通过在 Linux 内核中提交了一行代码，发现了一项令人惊叹的性能提升。根据测试，内存分配的吞吐量提升了 3889%，也就是接近 40 倍的速度提升！这一变化的实现仅仅依靠了一行代码的提交。

性能提升：核心测试揭示的惊人效果

这项测试的核心成果出现在 “will-it-scale” 扩展性测试中，该测试是通过一台搭载 Intel Xeon Platinum 8380H 处理器的系统进行的。此处理器是基于 Cooper Lake 架构，拥有 4 个插槽和 224 个线程（每个 Xeon Platinum 8380H 处理器有 28 核 56 线程）。在这项测试中，1 字节内存分配（malloc1）的吞吐量实现了接近 40 倍的提升，展示了内核优化的巨大潜力。

这项优化是在以下提交中实现的：

• 提交信息：d4148aeab412432bf928f311eca8a2ba52bb05df
• 改动概述：该提交优化了内存管理（mm）和内存映射（mmap），特别是在透明大页（THP）和页面中间目录（PMD）之间的对齐。

内存管理的深度优化

这次提交的优化与 Linux 内核中的内存管理系统紧密相关，特别是涉及到透明大页（THP）和页面中间目录（PMD）对齐的问题。为了提升内存分配效率，内核团队在这项改动中修复了一个长期存在的问题：由于页面中间目录（PMD）对齐的问题，转换旁路缓冲区（TLB）和缓存别名问题曾导致性能回退。

早在提交 efa7df3e3bb5 时，内核就开始尝试将较大的匿名映射对齐到 THP 边界。这意味着，如果一个匿名映射的大小足够大，它会自动对齐到 PMD 边界，并受益于 THP 的性能提升。然而，这种改动也引发了一些性能回退，特别是在处理像 cactusBSSN 这样的基准测试时，性能有时甚至会下降 600%。

性能回退问题的修复

通过对回退问题的深入分析，内核团队发现，在某些工作负载下，基准测试的内存访问模式会遭遇 TLB 或缓存别名问题，从而导致性能下降。尤其是在 cactusBSSN 基准测试中，创建了多个小的 4632kB 区域，这些区域在之前会被合并成一个大区域，但在新的提交中被拆分并对齐到 PMD 边界，导致性能问题。

为了解决这一问题，内核团队对条件进行了修改，现在要求映射的大小必须是 PMD 大小的倍数，而不仅仅是“大于等于 PMD 大小”。这种调整可以有效避免像 cactusBSSN 基准测试那样生成不规则的映射，从而恢复了原本的性能。

巨大性能提升的实际意义

值得注意的是，这次性能提升是在一个合成测试用例中实现的，因此现实世界中的工作负载可能无法实现如此惊人的性能提升。然而，这项优化依然为 Linux 内核的未来发展带来了积极的前景，尤其是在需要高效内存管理的场景中，性能提升的潜力非常巨大。

总结：内核优化带来的巨大改变

这次 Linux 内核的优化通过一行代码实现了性能的巨大提升，证明了即使是微小的改动，也能对系统的性能产生深远影响。虽然这项改进在合成测试中表现出色，但它仍为 Linux 内核的未来优化提供了宝贵的经验，尤其是在内存管理和性能优化方面。随着更多此类优化的出现，Linux 系统在高负载、高性能应用场景下的表现将更加出色，预计会在各类工作负载中带来更高的效率和更低的资源消耗。

来源：Linux LKML public inbox (link1, link2)

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