lab通关记录

L7：使用虚拟内存

• 计划：你可以用 vm 做的很酷的事情

  • 更好的性能/效率
    例如，一页填零
    例如，写时复制fork
  • 新功能
    例如，内存映射文件
  • JOS 和虚拟机
  • 本次讲座可能会为最后一个实验室（最终项目）产生想法

• 虚拟内存：几个视图

  • 主要目的：隔离
    每个进程都有自己的地址空间
  • 虚拟内存提供了一个间接级别
    为内核提供了做很酷的事情的机会

• 懒惰/按需页面分配

  • sbrk()
    分配虚拟内存，但是只在实际需要的时候page fault，分配物理内存并建立映射
    • page fault：一种中断
      xv6 内存布局讨论
      用户虚拟地址从零开始
      当然用户 va 0 映射到每个进程的不同 pa
      2GB 用于用户堆连续增长
      但不需要有连续的物理内存—-没有碎片问题
      内核和用户映射—-易于切换系统调用、中断
      内核映射到所有进程的同一位置
      简化进程之间的切换
      内核易于读写用户内存
      使用用户地址，例如 sys 调用参数
      内核易于读写物理内存
      pa x 映射到 va x+0x80000000
      我们很快就会在操作页表时看到这一个

• 退后一步：班级视角

  • 没有一种设计操作系统的最佳方式
    许多操作系统使用 VM，但是可以不用
  • Xv6 和 JOS 展示了操作系统设计的例子
    他们缺乏复杂设计的许多特征
    事实上，与真正的操作系统相比，它们相当蹩脚
    • 我们的目标：教您关键思想，以便您可以推断
      Xv6 和 JOS 是暴露关键思想的最小设计
      你应该能够让他们变得更好
      您应该能够深入了解 Linux 并找到自己的方式

• 保护页面以防止堆栈溢出

  • 在用户堆栈下方放置一个非映射页面：guard page
  • 如果堆栈溢出，应用程序将看到页面错误

• 一页填零

  • 内核经常用零填充一个页面
  • 想法：memset函数设置页面为零
    当内核需要零填充页面时映射该页面写时复制：即memset依然只是对虚拟内存操作
    在写入时复制页面并将其映射到应用程序地址空间中的读/写

• 在 xv6 中共享内核页表
  kvmalloc() 为每个进程的内核页表分配新页
  但所有进程都有相同的内核页表

• 写时复制fork
  xv6 fork 从父级复制所有页面（参见 fork()）

  • 想法：在父子之间共享地址空间
    修改 fork() 以映射页面 copy-on-write（在 PTE 和 PDE 中使用额外的可用系统位）
    在页面错误时，复制页面并将其映射为读/写

• 需求分页

  • 观察：exec 将完整文件加载到内存中（参见 exec.c）
    这样做需要时间（例如，文件存储在慢速磁盘上）
    不必要：可能不会使用整个文件
  • 想法：按需从文件加载页面
    没必要分配页表条目，但按需标记它们
    出错时，从文件中读入页面并更新页表条目
  • 挑战：文件大于物理内存（见下一个想法）

• 使用比物理内存大的虚拟内存
  理由：应用程序可能需要比物理内存更多的内存

  • 想法：在磁盘上存储地址空间中不常用的部分
    地址空间的页入页和页出页，这是一个对程序员透明的机制
  • 当工作集适合物理内存时工作

• 内存映射文件

  • 想法：允许使用加载和存储访问文件
    可以轻松读写文件的一部分
    例如，不必使用 lseek 系统调用更改偏移量，而是直接对虚拟内存修改，然后write系统调用和buffer一次性写文件
  • 按需调入文件页面
    当内存已满时，将不经常使用的文件页面调出：LRU

• 共享虚拟内存

  • 想法：允许不同机器上的进程共享虚拟内存
    给人一种通过网络共享物理内存的错觉
  • 复制只读的页面：多个虚拟映射同一个物理
  • 在写入时使副本无效

• JOS 和虚拟内存

  • UVPT 技巧（实验 4）（看本目录下《JOS虚拟内存布局》）
    在 0x3BD 处递归映射 PD
    PD的虚拟地址为(0x3BD<<22)|(0x3BD<<12)
    如果我们想找到虚拟页面 n 的 pte，计算
    pde_t uvpt[n]，其中 uvpt 是 (0x3BD << 22)
    = uvpt + n * 4（因为 pdt 是一个词）
    = (0x3BD << 22) | (n 的前 10 位) | （n 的底部 10 位）<< 2
    = 10 | 10 | 12
    例如，uvpt[0] 是地址 (0x3BD << 22)，按照指针给我们
    页目录中的第一个条目，它指向第一个页表，它
    我们用 0 索引，这给了我们 pte 0

    这比 pgdirwalk() 更简单，但是实际模拟的时候我们仍然需要走页目录和页表。不过这提供了虚拟页表和物理的方便映射：因为只需要偏移。

  • 用户级写时复制叉（lab4）
    JOS 将页面错误传播到用户空间
    用户程序可以玩与内核类似的 VM 技巧！
    你会做用户级的写时复制叉