리눅스 커널 파일 시스템 [6] Folio

리눅스 커널 파일 시스템 이해를 위해 먼저 folio 개념에 대해 이해할 필요가 있다.

1. Folio의 탄생 배경과 역사

Folio는 리눅스 커널의 메모리 관리 시스템을 현대화하고, 특히 THP(Transparent Huge Pages)와 같은 대규모 페이지 관리의 복잡성을 해결하기 위해 도입되었습니다. 기존의 리눅스 커널은 메모리 관리의 기본 단위로 struct page를 사용했습니다. struct page는 실제 물리 메모리의 단일 페이지(일반적으로 4KB)를 나타내는 메타데이터 구조체입니다.

하지만 기술의 발전과 함께 메모리 집약적인 애플리케이션이 증가하면서, 4KB 페이지 단위로 메모리를 관리하는 것이 비효율적이라는 문제가 대두되었습니다. 예를 들어, 2MB 크기의 THP를 관리하기 위해서는 512개의 struct page를 개별적으로 다루어야 했습니다. 이로 인해 메모리 관리 코드의 복잡성이 증가하고, 성능 저하의 원인이 되었습니다.

Folio는 이러한 문제점을 해결하기 위해 2021년 리눅스 5.16 버전에 처음 도입되었습니다. Folio는 기존의 struct page를 추상화하여, 여러 개의 연속된 물리 페이지(Contiguous Physical Pages)를 하나의 논리적 그룹으로 묶는 새로운 개념입니다. 이는 메모리 관리 코드를 단순화하고, 대규모 페이지를 더 효율적으로 다룰 수 있도록 하기 위함입니다.

2. Folio의 현재 모습과 역할

Folio는 struct page의 상위 개념으로, 하나 이상의 연속된 페이지들을 나타내는 단일 객체입니다. 현재 리눅스 커널은 메모리 관리를 위해 대부분 Folio를 사용하며, 기존 struct page 기반의 API들을 Folio 기반으로 전환하고 있습니다.

Folio의 주요 역할은 다음과 같습니다.

• 메모리 관리의 통일된 인터페이스 제공: Folio는 파일 시스템 캐시, 스왑, THP 등 다양한 메모리 관리 기능에 대해 일관된 인터페이스를 제공합니다. 기존에는 각 기능마다 페이지를 다루는 방식이 달랐지만, Folio를 통해 메모리 관리 코드의 중복을 줄이고, 유지보수를 용이하게 합니다.

• 대규모 페이지 관리 효율성 증대: Folio는 여러 개의 페이지를 하나로 묶어 관리하므로, 2MB 또는 1GB와 같은 대규모 페이지를 훨씬 효율적으로 다룰 수 있습니다. 기존에는 512개의 struct page를 순회하며 처리해야 했던 작업을, 이제 단일 Folio 객체에 대한 작업으로 대체할 수 있습니다.

• 코드 단순화: Folio는 복잡한 페이지 그룹 관리를 추상화하여, 개발자가 메모리 관리 코드를 더 쉽게 이해하고 작성할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 페이지 그룹의 크기, 오프셋, 상태 등을 Folio 구조체 내에서 직접 접근할 수 있습니다.

3. 기존 Page 대비 더 나은 점

Folio가 기존 struct page에 비해 가지는 장점은 다음과 같습니다.

• 메모리 관리 코드의 간결화: Folio는 여러 페이지를 하나의 객체로 다루기 때문에, 페이지 그룹을 순회하거나 개별 페이지의 오프셋을 계산하는 복잡한 로직이 필요 없어집니다. 예를 들어, 512개의 struct page를 처리하는 루프는 단일 Folio에 대한 연산으로 대체됩니다.

• 성능 향상: Folio는 페이지 그룹에 대한 연산을 한 번에 처리할 수 있으므로, 캐시 미스 감소 및 CPU 사이클 절약으로 이어져 전반적인 성능을 향상시킵니다. 특히 대규모 페이지를 자주 사용하는 워크로드에서 이점은 더욱 두드러집니다.

• 더 나은 타입 안정성(Type Safety): Folio는 페이지 그룹의 크기와 오프셋 정보를 자체적으로 가지고 있어, 개발자가 잘못된 페이지에 접근하는 실수를 방지할 수 있습니다. 이는 코드의 안정성과 신뢰성을 높여줍니다.

• 새로운 기능 도입의 용이성: Folio는 유연한 구조를 가지고 있어, 앞으로 등장할 새로운 메모리 관리 기술(예: CXL(Compute Express Link) 기반의 이종 메모리)을 더 쉽게 통합할 수 있는 기반을 제공합니다.

4. 결론

Folio는 리눅스 커널의 메모리 관리 시스템을 혁신하는 중요한 변화입니다. 이는 기존의 struct page 기반의 복잡성과 비효율성을 극복하고, 현대적인 대규모 메모리 환경에 최적화된 솔루션을 제공합니다. Folio의 도입은 메모리 관리 코드의 단순화, 성능 향상, 그리고 향후 기술 발전에 대한 확장성 확보에 기여하며, 리눅스 커널이 계속해서 진화할 수 있는 토대를 마련하고 있습니다.