Lec 07 操作系统管理页表映射

lec 07 操作系统管理页表映射

0 Contents

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1 操作系统设置页表映射

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何时设置页表映射?

  • 操作系统自己使用的页表
    -- 在启动时填写
    -- 映射全部物理内存

    • 虚拟地址 = 物理地址 + 固定偏移(直接映射,Direct Mapping)
    • 思考:为什么需要直接映射?
  • 应用进程的页表
    -- 何时设置?

2 立即映射

  • 创建进程时,OS按照虚拟内存区域填写进程页表
    -- 例如,代码段和数据段
    -- 具体步骤:
    • 步骤-1: 分配物理页(alloc_page)
    • 步骤-2: 把应用代码/数据从磁盘加载到物理页中
    • 步骤-3: 添加虚拟页到物理页的映射(add_mapping)
    • 步骤-4: 未加载完毕,回到步骤-1

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分配物理页的简单实现

操作系统用位图记录物理页是否空闲
0:空闲;1:已分配

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OS填写页表基地址

结构体保存页表的基地址

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填写进程页表

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!直接映射弊端

  • 立即映射是一种操作系统可以选择的页表填写策略
    -- 在初始化进程虚拟地址空间时,直接在进程页表中添加各虚拟内存区域的映射

  • 潜在弊端
    -- 以关卡/副本类型游戏加载为例:只玩1关,加载1000关

    • 物理内存资源浪费
    • 非必要时延

3 延迟映射

想法

  • 解决立即映射弊端的直观想法
    -- 操作系统按进程实际需要分配物理页和填写页表,避免分配的物理页实际不被用到的情况

  • 主要思路:解耦虚拟内存分配与物理内存分配
    -- 先记录下为进程分配的虚拟内存区域
    -- 当进程实际访问某个虚拟页时,CPU 会触发缺页异常
    -- 操作系统在缺页异常处理函数中添加映射

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操作系统需要区分合法/非法缺页异常

执行以下代码,操作系统可以发现segmentation fault

#include<stdio.h>
int main()
{
char *p = NULL;
printf("%s\n",p);
return 0;
}

操作系统记录为进程分配的虚拟内存区域

  • 虚拟地址空间
    -- 若干非连续的虚拟内存区域
    • 每个虚拟内存中虚拟地址都是进程可用的,具有相同的访问权限。
    • 例如:代码,数据,堆,栈
    • 访问非法虚拟地址会触发CPU异常,操作系统将会跑出segmentation fault。

合法虚拟地址信息的记录方式

  • 记录进程已经分配的虚拟内存区域
    -- Linux: 对应结构体vm_area_struct,位于linux/include/linux/mm_types.h内定义。

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(有意思的是,虚拟内存在linux内出现是在2008年)。

-- Chcore: 对应以下的结构体。

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VMA 添加方式

1.OS创建进程时分配

  • 数据(对应ELF文件的数据段)
  • 代码(对应ELF文件的代码段)
  • 栈(初始没有内容)

2.进程运行时添加

  • 堆,栈
  • mmap/munmap
    -- 分配内存buffer和加载新的代码库

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mmap: 分配一段虚拟内存区域

  • 通常用于把一个文件或一部分映射到内存
  • 也可以不映射任何文件,仅仅新建虚拟内存区域(匿名映射)

linux:

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示例

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执行mmap后,vma发生变化

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mmap 映射文件

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VMA如何添加

  • 途径2: 进程运行时添加/应用程序主动向OS发起系统调用
    -- mmap()
    • 申请空的虚拟内存区域
    • 申请映射文件数据的虚拟内存区域
      -- brk():扩大、缩小堆区域
      -- 栈VMA的可选策略
    • OS为进程初始分配固定大小的栈VMA,在发现stackoverflow之后自动扩大栈VMA
      -- 用户态的malloc(API)也可能改变VMA
    • 调用brk,在堆中分配新的内存
    • 调用mmap分配较大区域

VMA判断缺页异常的合法性

  • 缺页异常(page fault)
    -- AARCH64:触发(通用的)同步异常(8)
    -- 根据ESR信息判断是否为缺页异常
    -- 访问的虚拟地址存放在FAR_EL1

  • 操作系统的缺页处理函数
    -- FAR_EL1中的值不落在VMA区域内,则为非法
    -- 反之,则分配物理页,并在页表中添加映射

延迟映射与立即映射对比

  • 优势:节约内存资源
  • 劣势:却页异常导致访问延迟增加
  • tradeoff:
    -- 应用程序具有时空局部性
    -- 缺页异常处理中采用预先映射策略。节约内存并且减少缺页异常次数。

OS向应用提供灵活的内存管理系统调用

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4 虚拟内存的扩展功能

1.共享内存

节约内存与进程通信作用。

2.写时拷贝

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实现:修改页表项权限,在缺页时拷贝,恢复。
fork:节约物理内存,性能加速。

3.内存去重

  • memory deduplication
    -- 基于写时拷贝机制
    -- 在内存中扫描,发现具有相同内容的物理页面
    -- 执行去重
    -- 操作系统发起,对用户态透明

4.内存压缩

  • 基本思想
    -- 当内存资源不充足的时候, 选择将一些“最近不太会使用”的内存页进行数据压缩,从而释放出空闲内存

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大页的利弊

  • 好处
    -- 减少TLB缓存项的使用,提高 TLB 命中率
    -- 减少页表的级数,提升遍历页表的效率
  • 案例
    -- 提供API允许应用程序进行显示的大页分配
    -- 透明大页(Transparent Huge Pages) 机制
  • 弊端
    -- 未使用整个大页而造成物理内存资源浪费
    -- 增加管理内存的复杂度
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