Lec 07 操作系统管理页表映射

lec 07 操作系统管理页表映射

目录

• lec 07 操作系统管理页表映射
  • 0 Contents
    • 1 操作系统设置页表映射
      • 何时设置页表映射？
    • 2 立即映射
      • 分配物理页的简单实现
      • OS填写页表基地址
      • 填写进程页表
      • ！直接映射弊端
    • 3 延迟映射
      • 想法
      • 操作系统需要区分合法/非法缺页异常
      • 操作系统记录为进程分配的虚拟内存区域
      • 合法虚拟地址信息的记录方式
      • VMA 添加方式
      • mmap: 分配一段虚拟内存区域
        • 示例
      • VMA如何添加
      • VMA判断缺页异常的合法性
      • 延迟映射与立即映射对比
      • OS向应用提供灵活的内存管理系统调用
    • 4 虚拟内存的扩展功能
      • 大页的利弊

0 Contents

1 操作系统设置页表映射

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

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

OS填写页表基地址

结构体保存页表的基地址

填写进程页表

！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

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。

（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。

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

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:

示例

执行mmap后，vma发生变化

mmap 映射文件

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

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

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

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