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第20课

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Virtual Memory

背景

  • 代码需要在内存中才能执行,但很少需要或同时使用整个程序,比如错误处理代码、异常例程、大型数据结构,这些东西不太可能同时用到。

  • 所以我们要考虑执行部分加载程序的能力,程序不再受物理内存限制,使程序可能比物理内存大。

  • 虚拟内存:将逻辑内存和物理内存区分开来

    • 只需要程序的一部分在内存中程序就可以执行。

      • 逻辑地址空间可能比物理地址空间大得多;

      • 可以同时运行更多程序;

      • 加载或交换进程所需的I/O更少(部分);

    • 允许多个进程共享内存(例如,共享库):更好的IPC性能

    • 允许更高效的进程分叉(写时复制)

  • 虚拟内存可以通过demand paging进行实现。

VM大于PM

我们通过VA与PA的映射来使VM大于PA,而物理内存中的很多东西都是从second storage(比如disk)中加载进来的;image-20230508102943247

Demand Paging

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当一个page被访问时候,我们才会真正把page加载到物理内存当中。比如执行代码时,pc去fetch指令发现从虚拟地址到物理地址的映射不存在,才会去把这一页load进来。

page invalid -> abort the operation

page valid but not in memory -> bring it to memory via swapping

Lasy swapper:一个page不会被放到memory中来除非他被需要,缺点是有非常非常多的缺页异常(缺页处理非常耗时)。

Pre_Paging:在引用program所需的全部或部分页面之前,对其进行预分页。它可以减少执行过程中的缺页错误数量,如果未使用预先分页的页面,则会浪费I/O和内存,尽管它减少了页面错误,但总I/O数可能更高。

Valid-Invalid Bit

每个页表条目都有一个Valid-Invalid Bit:V -> in memory,I -> not in memory。

开始的时候,所有条目的Valid-Invalid Bit都设置为I,在地址转换过程中,如果条目无效,将触发缺页异常。

image-20230508105030933

例子:image-20230508105429863

Page Fault

第一次引用不存在的页面将trap到内核:page fault。

操作系统通过查看内存映射来决定:

  • 无效引用 → 向流程传递异常,若访问的是灰色区域,是合法的,如果是蓝色区域,那就是不合法的,就是无效的,传递异常(所以操作系统肯定会记录一个进程的合法的空间);image-20230508103617419
  • 有效但不在内存中 → swap:
    • 获得一个空的物理帧;
    • 通过磁盘操作将页面swap到物理帧中(此时往往会引发进程调度,因为swap比较慢,所以这个进程从running的状态变成block状态);
    • 设置页表entry以指示向page现在的内存位置;
    • 重新启动导致页面错误的指令;

例子:image-20230508110441545


极端情况:启动进程时内存中没有page(也称为pure demand paging)

  • 操作系统将指令指针设置为进程的第一条指令,无效页面引发page fault。
  • 第一次访问时,每页都被paged in,程序本地化减少了开销。
  • 一条指令可以访问多个page -> 多页错误。例如,它们的指令、数据和页表条目。

Demand paging需要硬件支持

  • 具有有效/无效位的页表条目;
  • 后备存储器(通常是disk);
  • 指令能正常地restart;

Free-Frame List

去看一下系统的物理内存还有哪些是空着的,操作系统通常使用一种称为按需零填充(zero-fill-on-demand)的技术来分配空闲帧,即帧的内容在分配之前被清零。当系统启动时,所有可用内存都会放在空闲帧上列表。


Stages in Demand Paging

这是最差情况下,一个Demand Paging会引发很多异常处理过程,进程调度,磁盘读写,所以我们要尽可能地避免缺页产生。

  • 1.trap into操作系统
  • 2.save用户寄存器和进程状态
  • 3.确定中断是否是page fault
  • 4.检查页面引用是否合法,并确定页面在磁盘上的位置
  • 5.从磁盘向空闲帧发出读取请求(从磁盘的哪里去读取缺失的数据呢?事实上mmap在建立的时候,会先建立VA和file的映射):
    • 5.1在此设备的队列中等待,直到读取请求得到服务
    • 5.2等待设备seek and/or lantancy time
    • 5.3开始将页面转移到空闲帧
  • 6.等待过程中,会进行调度,CPU资源会被分配给其他进程
  • 7.得到设备的中断请求,指示中断已经完成
  • 8.再做一次寄存器和进程状态(对于其他进程)的保存
  • 9.检查这个中断是否是从disk中来的
  • 10.修改页表以及其他表格来指明page现在是在memory中的
  • 11.等待CPU重新分配资源给进程
  • 12.进程得到资源后,restart原来产生缺页错误的指令

Demand Paging Optimization

EAT(有效访问时间)

p就表示缺页的概率image-20230508210116569image-20230508210618961

措施

交换空间I/O的速度比文件系统I/O快,即使在同一设备上也是如此。因为以更大的块分配的交换,比文件系统所需的管理更少。举个例子,要访问/f/a.txt,文件系统可能要有很多次IO,那么我们可以把它们写进一个单独的交换分区里面进行IO,这样可以节约时间。

在进程加载时将整个进程的code全部复制到交换空间,这样下一次再去交换的时候就不跟文件系统打交道了,直接和交换分区打交道。这种方法用于较旧的BSD Unix。

但最主要的还是减少缺页的概率

对于只读也,当要被swap out的时候直接清空,不要swap out到disk中,因为不需要。

重点是减少和外部存储(disk)进行交换的次数。

Copy-on-Write

父进程在创建子进程之后,两个进程就分道扬镳了。子进程理论上是父进程的精确拷贝,但其实这是没有必要的,子进程之后通过exec()去load要执行的代码,那么这个拷贝就是没有用的。

这时候我们可以使用COW机制,也就是我们在创建子进程的时候并不是真的拷贝了所有物理页,我们让父进程的VA和子进程的VA都指向了同一个PA。

但是这些共享的物理页只能读不能写,然后还需要指明这其实只是临时取消掉写权限,指明这是COW页。无论父进程还是子进程去写物理页都会导致异常,这时候我们额外分配一个新的页出来,把子进程或者父进程要修改的页复制一份过来,在这个新的页开放写权限,将VA指向这个PA,而原来的那个COW页也恢复写权限,这个时候父进程和子进程才是真的分道扬镳。

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