文章目录

一、Page fault
二、Lazy page allocation
三、Zero fill on demand
四、Copy-on-write(COW) fork
五、Demand paging
六、Memory mapped files

一、Page fault

课程内容

今天的课程内容是page fault以及通过page fault实现的一系列虚拟内存功能，相关的功能如下：
①lazy allocation
②copy-on-write fork
③demand paging
④memory mapped files
----几乎所有操作系统(如Linux)都实现了这些功能，然而XV6中这些功能都没实现。在XV6中，一旦用户空间的进程触发了page fault，该进程就会被杀掉，这是非常保守的处理方式。
----这节课中，我们将会探讨发生page fault时可以做的一些有趣的事情。这节课对于代码的讲解会比较少，相应的在设计层面会有更多的内容，毕竟我们也没有代码可以讲解(因为XV6中没有实现)。
----今天课程的内容对应了后面几个实验。下一个实验lazy lab今天会发布出来，copy-on-write fork和mmap也是后续实验的内容。这些都是操作系统中非常有趣的部分，我们将会在实验中花大量时间来研究它们。

回顾虚拟内存

虚拟内存有两个主要的优点：
①Isolation(隔离性)
虚拟内存使得操作系统可以为每个应用程序提供属于它们自己的地址空间，所以一个应用程序不可能有意或无意地修改另一个应用程序的内存数据。虚拟内存同时也提供了用户空间和内核空间的隔离性，我们在之前的课程已经谈过很多相关内容，你们通过page table lab也可以理解虚拟内存的隔离性。
②level of indirection(提供了一层抽象)
处理器和所有的指令都可以使用虚拟地址，内核会定义虚拟地址到物理地址的映射关系。这一层抽象是我们这节课要讨论的许多有趣功能的基础。不过到目前为止，在XV6中内核空间地址基本上是直接映射。当然也有几个比较有意思的地方：
----trampoline page，它使得内核可以将一个物理内存page映射到多个用户地址空间中。
----guard page，它同时在内核空间和用户空间用来保护Stack。
到目前为止，我们介绍的内存地址映射相对来说比较静态。不管是用户页表还是内核页表，都是在最开始的时候设置一次、在进程fork时设置一次，之后就不会再做任何变动。

page fault

page fault可以让这里的地址映射关系变得动态起来。通过page fault，内核可以动态地改变映射来更新页表。这是一个非常强大的功能，因为现在可以动态地更新虚拟地址这一层抽象，结合页表和page fault，内核将会有巨大的灵活性。我们接下来会看到各种各样利用动态变更页表实现的有趣功能。但是在那之前，首先我们需要思考的是：什么样的信息对于page fault是必须的？或者说，当发生page fault时，内核需要什么样的信息才能够响应page fault？
①引起page fault的内存地址
很显然我们需要出错的虚拟地址(触发page fault的源)。你们在page table lab中已经看过一些相关的panic，当一个用户应用程序触发了page fault，page fault会使用trap机制将程序切换到内核运行，内核会打印出错的虚拟地址，并且这个地址会被保存在stval寄存器中。
②引起page fault的原因类型
----我们需要知道的第二个信息是出错的原因，因为我们或许想要对不同场景的page fault有不同的响应。比如因为加载指令触发的page fault、因为存储指令触发的page fault、因为跳转指令触发的page fault。
----当你查看RISC-V的文档，在scause(Supervisor cause寄存器，保存了trap机制中进入到supervisor mode的原因)寄存器的介绍中，有多个与page fault相关的原因。比如13表示是因为load引起的page fault、15表示是因为store引起的page fault、12表示是因为指令执行引起的page fault。所以第二个信息存在scause寄存器中，其中总共有3个类型的原因与page fault相关，分别是读、写和指令。
----ecall进入到supervisor mode对应的是8，这是我们在上节课中应该看到的scause值。基本上来说，page fault和其他的异常使用与系统调用相同的trap机制来从用户空间切换到内核空间。如果是因为page fault触发的trap机制而进入到内核空间，stval寄存器和scause寄存器都会有相应的值。

③引起page fault时的程序计数器值
我们想要知道的第三个信息是触发page fault指令的虚拟地址。从上节课可以知道，作为trap处理代码的一部分，这个地址存放在sepc(Supervisor Exception Program Counter)寄存器中，同时会保存在trapframe->epc中。我们之所以关心触发page fault时的程序计数器值，是因为我们想在处理程序中修复页表，结束后回去继续运行那条因为page fault而中断的指令。
总结： 从硬件和XV6的角度来说，当出现了page fault，有3个对我们来说极其有价值的信息，分别是：
①引起page fault的内存地址
②引起page fault的原因类型
③引起page fault时的程序计数器值，这表明了page fault在用户空间发生的位置

二、Lazy page allocation

sbrk系统调用

我们首先来看一下内存分配，或者更具体的说是sbrk(sbreak) 。sbrk是XV6提供的系统调用，它使得用户应用程序能扩大自己的堆区(heap)大小。当一个应用程序启动的时候，sbrk指向的是堆的最底端，同时也是栈的最顶端。这个位置通过代表进程的数据结构中的sz字段表示，这里以p->sz表示。

当调用sbrk时，它的参数是一个整数，代表了你想要申请的page数量(根据Linux man page，实际中sbrk的参数是字节数)。sbrk会扩展堆区的上边界，这意味着当sbrk实际发生或者被调用的时候，内核会分配一些物理内存，并将这些内存映射到用户应用程序的地址空间，然后将内存内容初始化为0，再返回sbrk系统调用。应用程序可以通过多次sbrk系统调用来增加它所需要的内存，应用程序还可以通过给sbrk传入负数作为参数来减少或者压缩它的地址空间。这节课我们只关注增加内存的场景。

Lazy allocation

xv6的默认内存分配方案：在XV6中，sbrk的实现默认是eager allocation(急分配)。这表示一旦调用了sbrk，内核会立即分配应用程序所需要的物理内存。
急分配的问题：实际上对于应用程序来说，很难预测自己需要多少内存。所以通常来说，应用程序倾向于申请多于自己所需要的内存。这意味着进程的内存消耗会增加许多，但是有部分内存永远也不会被应用程序所使用到。例如：你可以设想自己写了一个应用程序读取了一些输入，然后通过一个矩阵进行一些运算。你需要为最坏的情况做准备，比如为最大可能的矩阵分配内存。但是应用程序可能永远也用不上这些内存，通常情况下应用程序会在一个小得多的矩阵上进行运算。所以程序员过多申请内存但是过少使用内存这种情况还挺常见的。
Lazy allocation：原则上来说这不是一个大问题，但是通过使用虚拟内存和页面错误处理程序，我们完全可以用某种更聪明的方法来解决这里的问题，这就是lazy allocation。核心思想非常简单：
----sbrk系统调基本上不做任何事情，唯一需要做的事情就是将p->sz提升至p->sz + n，其中n是需要新分配的page数。
----但是内核在这个时间点并不会分配任何物理内存。之后当应用程序使用到了新申请的那部分内存时会触发page fault，因为我们还没有将新的内存映射到用户页表。
----当我们看到了一个page fault，相应的虚拟地址大于旧的p->sz，小于新的p->sz(旧的p->sz+n)，那么我们就知道这是一个来自于堆区的地址，但是内核还没有分配任何物理内存。所以对于这个page fault的响应也很明了：在page fault handler中，通过kalloc函数分配一个内存page；初始化这个page内容为0；将这个内存page映射到用户页表中；最后重新执行指令。

问答：

学生提问：在eager allocation的场景，一个进程可能消耗了太多的内存进而耗尽了物理内存资源。如果我们不使用eager allocation，而是使用lazy allocation，应用程序怎么才能知道当前已经没有物理内存可用了？
Frans教授：从应用程序的角度来看会有一个错觉：存在无限多可用的物理内存。但是在某个时间点，应用程序可能会用光了物理内存。之后如果应用程序再访问一个未被分配的page，但这时又没有物理内存，这时内核可以有两个选择，我稍后会介绍更复杂的那个。你们在lazy lab中要做的是返回一个错误并杀掉进程，因为现在已经用尽内存了，内核也无能为力。稍后我会介绍更加聪明的解决方案。
学生提问：如何判断一个地址是新分配的内存还是一个无效的地址？
Frans教授：通常我们将p->sz设置成一个更大的数，新分配的内存位于旧的p->sz和新的p->sz之间，但是这部分内存还没有实际在物理内存上进行分配。如果使用的地址低于p->sz，那么这是一个用户空间的有效地址。如果大于p->sz，对应的就是一个程序错误，这意味着用户应用程序在尝试解析一个自己不拥有的内存地址。
学生提问：为什么我们需要杀掉进程？操作系统不能只是返回一个错误说现在已经用尽内存了，尝试做一些别的操作吧。
Frans教授：在XV6的page fault中，我们默认会直接杀掉进程，但是实际的操作系统的处理措施会更加聪明。尽管如此，如果最终还是找不到可用内存，实际的操作系统还是可能会杀掉进程。

Lazy allocation实现代码

我们首先要修改sys_sbrk函数，sys_sbrk会完成实际增加应用程序的地址空间、分配内存等一系列相关的操作。

这里我们要修改这个函数，让它只对p->sz加n，并不执行增加内存的操作。

修改完之后启动XV6，并且执行echo hi，我们会得到一个page fault。

page fault的信息
出现page fault是因为在Shell中执行程序时，Shell会先fork一个子进程，子进程会通过exec执行echo。在这个过程中，Shell会申请一些内存，所以Shell会调用sys_sbrk，然后就出错了(因为调用sys_sbrk不会实际分配所需要的内存)。
这里输出的内容包含了一些有趣的信息：
①scause寄存器的内容。可以看到它的值是15，表明这是一个store page fault。
②进程的pid是3，这极可能是Shell的pid。
③sepc的值。可以看到该异常程序计数器的值是0x12a4。
④stval的值。里面存放着出错的虚拟内存地址，也就是0x4008。
我们可以查看Shell的汇编代码，这是由Makefile创建的。我们搜索sepc对应的地址，可以看到这的确是一个store指令，这看起来就是我们出现page fault的位置。

如果我们向前看看汇编代码，我们可以看到page fault是出现在malloc的实现代码中。
----这也非常合理，在malloc的实现中，我们使用sbrk系统调用来获得一些内存。之后会初始化我们刚刚获取到的内存(0x12a4)并写入数据，但是实际上我们在向未被分配的内存写入数据。
----另一个可以证明内存还没有分配的地方是，XV6中Shell通常是有4个page，包含了text和data。出错的地址在4个page之外，也就是第5个page(实际上我们在4个page之外8个字节)。这也合理，因为在0x12a4对应的指令中，a0持有的是0x4000，而8是相对a0的偏移量。偏移之后的地址就是我们想要使用的地址(也就是出错的地址)。
处理page fault
首先查看trap.c中的usertrap函数，usertrap根据不同的scause完成不同的操作。

①如果时因为scause==8进入的trap，说明我们要处理普通系统调用。如果scause不等于8，接下来会检查是否有任何的设备中断。如果有的话处理相关的设备中断。如果两个条件都不满足，则打印一些信息并杀掉进程。
②现在我们增加一个检查，判断scause==15。如果符合条件，我们需要一些定制化的处理。
Frans教授：我们这里想要做什么样的定制化处理呢？
学生回答：我们想要检查p->sz是否大于当前存在stval寄存器中的虚拟地址。如果大于的话，就实际分配物理内存。
Frans教授：这是一种处理方式。这里我会以演示为目的简单的处理一下，在lazy lab中你们需要完成更多的工作。

----在上面增加的代码中，首先打印一些调试信息。
----之后分配一个物理内存page。如果ka等于0，表明没有物理内存可以供分配了，我们会杀掉进程。
----如果有物理内存，首先会将内存内容设置为0，之后将物理内存page指向用户地址空间中合适的虚拟内存地址。
具体来说：
----我们首先将虚拟地址向下取整。这里引起page fault的虚拟地址是0x4008，向下取整之后是0x4000。
----之后我们将物理内存地址跟取整之后的虚拟内存地址的映射关系加到用户页表中，同时设置对应的PTE需要的权限标志位，如u，w，r位。
----接下来重新编译XV6，再执行echo hi，我们或许可以乐观地认为现在可以正常工作了。

----但是实际上并没有正常工作。我们这里有两个page fault，第一个对应的虚拟内存地址是0x4008。很明显在处理这个page fault时，我们又有了另一个page fault，地址为0x13f48。现在唯一的问题是uvmunmap在报错，一些它尝试unmap的page并不存在。
Frans教授：这里unmap的内存是什么？
学生回答：之前lazy allocation但是又没有实际分配的内存。
Frans教授：是的，完全正确。这里unmap的是之前lazy allocated但是又还没有用到的地址，所以对于这个内存并没有对应的物理内存。在uvmunmap函数中，当PTE的v标志位为0并且没有对应的mapping，这并不是一个实际的panic，这是我们预期的行为。

实际上，对于这个page我们并不用做任何事情，我们可以直接continue跳到下一个page。

接下来，我们再重新编译XV6，并执行echo hi，可以看到就能正确打印hi了。

问答

学生提问：我并不能理解为什么在uvmunmap中可以直接改成continue？
Frans教授：之前的panic表明我们尝试在释放一个并没有map的page。发生这种情况唯一的原因是sbrk增加了p->sz，但是应用程序从未使用过那部分内存。因为对应的物理内存还没有分配，所以这部分新增加的内存的确没有映射关系。我们现在是lazy allocation，我们只会为需要的内存分配物理内存page。如果我们不需要这部分内存，那么就不会存在map关系。相应的，我们对于这部分内存也不能释放，因为没有实际的物理内存可以释放，所以这里最好的处理方式就是continue，跳过并处理下一个page。
学生提问：在uvmunmap中，我认为之前的panic存在是有理由的。因此我觉得应该实现两个版本(对于特定场景版本和panic版本)，然后使用不会panic的那个。
Frans教授：为什么之前的panic会存在？对于未修改的XV6，永远也不会出现用户内存未map的情况，所以一旦出现这种情况需要panic。但是现在我们更改了XV6，所以我们需要去掉这里的panic，因为之前的不可能变成了可能。
Frans教授：这部分内容对于下一个实验有很大的帮助，实际上这是下一个实验3个部分中的一个，但是很明显这部分不足以完成下一个lazy lab。我们这里做了一些修改，但是很多地方还是有可能出错。就像有人提到的，我这里并没有检查触发page fault的虚拟地址是否小于p->sz。还有其他的可能出错的地方吗？
学生回答：通过sbrk增加的用户进程的内存数是一个整型数而不是一个无符号整型数，可能会传入负数。
Frans教授：是的，可能会使用负数，这意味着缩小用户内存。当我们在缩小用户内存时，我们也需要小心一些。实际上，在一个操作系统中，我们可能会在各种各样的用户场景中使用这里的PTE，对于不同的用户场景我们或许需要稍微修改XV6，这就是接下来的lazy lab的内容。你们需要完成足够多的修改，才能通过所有的测试用例。

三、Zero fill on demand

按需补零(zero-fill-on-demand)

背景： 在操作系统中有很多空页。当你查看一个用户程序的地址空间时，存在text区域、data区域、BSS区域，其中BSS区域包含了未被初始化或者初始化为0的全局或者静态变量。当编译器在生成二进制文件时，编译器会填入这三个区域。text区域是程序的指令，data区域存放的是初始化了的全局变量，BSS包含了未被初始化或者初始化为0的全局变量。之所以将BSS单独列出来是因为假设你在C语言中定义了一个大的矩阵作为全局变量，它的元素初始值都是0，为什么要为这个矩阵分配内存呢？其实只需要记住这个矩阵的内容是0就行。

原理： 在一个正常的操作系统中，如果执行exec，exec会申请地址空间，里面会存放text和data。因为BSS里面保存了未被初始化的全局变量，这里或许有许多个page，但是所有的page内容都为0。通常可以优化的地方是，我有如此多的内容全是0的page，在物理内存中我只需要分配一个page，这个page的内容全是0，然后将所有虚拟地址空间的全0的page都map到这一个物理page上。这样至少在程序启动的时候能节省大量的物理内存分配。

注意： 这里的mapping需要非常的小心，我们不允许对这个page执行写操作，因为所有的虚拟地址空间page都期望page的内容是全0，所以这里的PTE都是只读的。
Frans教授：之后在某个时间点，应用程序尝试写BSS中的一个page时，比如说需要更改一两个变量的值，我们会得到page fault。对于这个特定场景中的page fault，我们该做什么呢？
学生回答：我认为我们应该创建一个新的page，将其内容设置为0，并重新执行指令。
Frans教授：是的，完全正确。假设store指令发生在BSS最顶端的page中。我们想要做的是，在物理内存中申请一个新的内存page，将其内容设置为0，因为我们预期这个内存的内容为0。之后我们需要更新这个page的mapping关系，首先PTE要设置成可读可写，然后将其指向新的物理page。这里相当于更新了PTE，之后我们可以重新执行指令。

Frans教授：为什么这是一个好的优化？或者说为什么操作系统要这么做？
学生回答：这样节省一部分内存，你可以在需要的时候才申请内存。
Frans教授：是的。除此之外，第二个好处是在exec中需要做的工作变少了，程序可以启动的更快，这样你可以获得更好的交互体验。因为你只需要分配一个内容全是0的物理page，所有的虚拟page都可以映射到这一个物理page上。
学生提问：但是因为每次都会触发一个page fault，update和write会变得更慢吧？
Frans教授：是的，这是个很好的观点。所以这里是实际上我们将一些操作推迟到了page fault再去执行，并且我们期望并不是所有的page都被使用了。如果一个page是4096字节，我们只需要对每4096个字节消耗一次page fault即可。但是这里我们的确增加了一些由page fault带来的代价。page fault的代价是多少呢？我们该如何看待它？这是一个与store指令相当的代价，还是说代价要高的多？
学生回答：代价要高的多。store指令可能需要消耗一些时间来访问RAM，但是page fault需要走到内核。
Frans教授：是的，前面你们已经看到了，仅仅是在trap处理代码中，就有至少有100个store指令用来存储当前的寄存器。除此之外，还有从用户空间转到内核空间的额外开销。所以page fault并不是没有代价的，之前问的那个问题是一个非常好的问题。

四、Copy-on-write(COW) fork

背景

当Shell处理指令时，它会通过fork创建一个子进程。Shell的子进程执行的第一件事情就是调用exec运行一些其他程序，比如echo。现在的情况是，fork创建了Shell地址空间的一个完整的副本，而exec做的第一件事情就是丢弃这个地址空间，取而代之的是一个包含了echo的地址空间。这里看起来有点浪费。

所以，我们最开始有一个父进程的虚拟地址空间，然后我们有了子进程的虚拟地址空间。在物理内存中，XV6中的Shell通常会有4个page。当调用fork时，基本上就是创建了4个新的page，并将父进程page的内容拷贝到4个新的子进程的page中。

但是之后一旦调用了exec，我们又会释放这些page，并分配新的page来包含echo相关的内容。

原理

所以对于这个特定场景有一个非常有效的优化：当我们创建子进程时，与其创建分配并拷贝内容到新的物理内存，其实我们可以直接共享父进程的物理内存page。所以这里我们可以设置子进程的PTE指向父进程对应的物理内存page。
注意： 我们这里需要非常小心。因为一旦子进程想要修改这些内存的内容，相应的更新应该对父进程不可见，因为我们希望在父进程和子进程之间有强隔离性。为了确保进程间的隔离性，我们可以将这里的父进程和子进程的PTE的标志位都设置成只读的。

在某个时间点，当我们需要更改内存的内容时，我们会得到page fault。因为父进程和子进程都会继续运行，而父进程或者子进程都可能会执行store指令来更新一些全局变量，这时就会触发page fault，因为现在在向一个只读的PTE写数据。
page fault的处理： 在得到page fault之后，我们需要拷贝相应的物理page。假设现在是子进程在执行store指令，那么我们会分配一个新的物理内存page，然后将page fault相关的物理内存page拷贝到新分配的物理内存page中，并将新分配的物理内存page映射到子进程的页表中。这时，新分配的物理内存page只对子进程的地址空间可见，所以我们可以将相应的PTE设置成可读写，并且我们可以重新执行store指令。实际上，对于触发刚刚page fault的物理page，因为现在只对父进程可见，相应的PTE对于父进程也变成可读写的了。

所以现在，我们拷贝了一个page，将新的page映射到相应的用户地址空间，并重新执行用户指令。重新执行用户指令是指调用userret函数，也就是前面介绍的返回到用户空间的方法。

问答

学生提问：我们如何发现父进程写了这部分内存地址？是与子进程相同的方法吗？
Frans教授：是的，因为子进程的地址空间来自于父进程的地址空间的拷贝。如果我们使用了特定的虚拟地址，因为地址空间是相同的，不论是父进程还是子进程，都会有相同的处理方式。
学生提问：对于一些没有父进程的进程，比如系统启动的第一个进程，它会对于自己的PTE设置成只读的吗？还是设置成可读写的，然后在fork的时候再修改成只读的？
Frans教授：这取决于你。实际上在lazy lab之后，会有一个copy-on-write lab。在这个lab中，你自己可以选择实现方式。当然最简单的方式就是将PTE设置成只读的，当你要写这些page时，你会得到一个page fault，之后你可以再按照上面的流程进行处理。
学生提问：因为我们经常会拷贝用户进程对应的page，内存硬件有没有实现特定的指令来完成拷贝。因为通常来说内存会有一些读写指令，但是因为我们现在有了从page a拷贝到page b的需求，会有相应的拷贝指令吗？
Frans教授：x86有硬件指令可以用来拷贝一段内存，但是RISC-V并没有这样的指令。当然在一个高性能的实现中，所有这些读写操作都会流水线化，并且按照内存的带宽速度来运行。在我们这个例子中，我们只需要拷贝1个page，对于一个未修改的XV6系统，我们需要拷贝4个page。所以这里的方法明显更好，因为内存消耗的更少，并且性能会更高，fork会执行的更快。
学生提问：当发生page fault时，我们其实是在向一个只读的地址执行写操作。内核如何能分辨现在是一个copy-on-write fork的场景，而不是应用程序在向一个正常的只读地址写数据。是不是说默认情况下，用户程序的PTE都是可读写的，除非在copy-on-write fork的场景下才可能出现只读的PTE？
Frans教授：是的，所以他一个需要在内核中维护的不变量，内核必须要能够识别这是一个copy-on-write场景。几乎所有的page table硬件都支持了这一点。我们之前并没有提到相关的内容，下图是一个常见的多级page table。对于PTE的标志位，我之前介绍过第0bit到第7bit，但是没有介绍最后两位RSW。这两位保留给supervisor software使用，supervisor softeware指的就是内核，内核可以随意使用这两个bit位。所以可以做的一件事情就是，将bit8标识为当前是一个copy-on-write page。

当内核在管理这些page table时，对于copy-on-write相关的page，内核可以设置相应的bit位，这样当发生page fault时，我们可以发现如果copy-on-write bit位设置了，我们就可以执行相应的操作了。否则的话，比如说lazy allocation，我们就做一些其他的处理操作。在copy-on-write lab中，你们会使用RSW在PTE中设置一个copy-on-write标志位。
Frans教授：在copy-on-write lab中，还有个细节需要注意。目前在XV6中，除了trampoline page外，一个物理内存page只属于一个用户进程。trampoline page永远也不会释放，所以也不是什么大问题。但是对于这里的物理内存page，现在有多个用户进程或者说多个地址空间都指向了相同的物理内存page。当父进程退出时我们需要更加的小心，我们是否能立即释放相应的物理page？
学生回答：可能不能，因为可能有多个子进程。
Frans教授：是的，可能有子进程还在使用这些物理page，而内核又释放了这些物理page，这将会出问题。那么现在释放内存page的依据是什么呢？
学生回答：在没有子进程的情况下释放。
Frans教授：是的，我们需要对于每一个物理内存page的引用进行计数，当我们释放虚拟page时，我们将物理内存page的引用数减1。如果引用数等于0，那么我们就能释放物理内存page。所以在copy-on-write lab中，你们需要引入一些额外的数据结构或者元数据信息来完成引用计数。
学生提问：我们应该在哪存储这些引用计数呢？因为如果我们需要对每个物理内存page的引用计数的话，这些计数可能会有很多。
Frans教授：对于每个物理内存page，我们都需要做引用计数，也就是说对于每4096个字节，我们都需要维护一个引用计数。
学生提问：我们可以将引用计数存在RSW对应的2个bit中吗？并且限制不超过4个引用。
Frans教授：讲道理，如果引用超过了4次，那么将会是一个问题。因为一个内存引用超过了4次，你将不能再使用这里的优化了。但是这里的实现方式是自由的。
学生提问：真的有必要额外增加一位来表示当前的page是copy-on-write吗？因为内核可以维护有关进程的一些信息。
Frans教授：是的，你可以在管理用户地址空间时维护一些其他的元数据信息，这样你就知道这部分虚拟内存地址如果发生了page fault，那么必然是copy-on-write场景。实际上，在后面的一个实验中，你们需要出于相同的原因扩展XV6管理的元数据。在你们完成这些实验时，具体的实现是很自由的。

五、Demand paging

背景

我们回到exec，在未修改的XV6中，操作系统会加载程序内存的text、data区域，并且以eager的方式将这些区域映射到页表。但是根据我们在lazy allocation和zero-filled on demand的经验，为什么我们要以eager的方式将程序加载到内存中？为什么不再等等，直到应用程序实际需要这些指令的时候再加载内存？程序的二进制文件可能非常的巨大，将它全部从磁盘加载到内存中将会是一个代价很高的操作。又或者data区域的大小远大于常见的场景所需要的大小，我们并不一定需要将整个二进制都加载到内存中。

原理

所以对于exec，在虚拟地址空间中，我们为text和data分配好地址段，但是相应的PTE并不对应任何物理内存page。对于这些PTE，我们只需要将valid bit位设置为0即可。如果我们修改XV6使其按照上面的方式工作，应用程序是从地址0开始运行。而text区域从地址0开始向上增长，所以位于地址0的指令是会触发第一个page fault的指令，因为我们还没有真正的加载内存。

那么该如何处理这里的page fault呢？首先我们可以发现，这些page是on-demand page。我们需要在某个地方记录了这些page对应的程序文件，我们在page fault handler中需要从程序文件中读取page数据，加载到内存中。之后将内存page映射到页表。最后再重新执行指令。

之后程序就可以运行了。在最坏的情况下，用户程序使用了text和data中的所有内容，那么我们将会在应用程序的每个page都收到一个page fault。但是如果我们幸运的话，用户程序并没有使用所有的text区域或者data区域，那么我们一方面可以节省一些物理内存，另一方面我们可以让exec运行的更快(因为不需要为整个程序分配内存)。
一些问题
前面描述的流程其实是有点问题的。如果我们将要读取的文件它的text和data区域可能大于物理内存的容量。又或者多个应用程序按照demand paging的方式启动，它们二进制文件的和大于实际物理内存的容量。对于demand paging来说，假设内存已经耗尽了，这时如果得到了一个page fault，需要从文件系统拷贝中拷贝一些内容到内存中，但你又没有任何可用的物理内存page，该怎么办？
解决方案： 如果内存耗尽了，一个选择是撤回page(evict page)。比如说将部分内存page中的内容写回到文件系统再撤回page。一旦你撤回并释放了page，那么你就有了一个新的空闲的page，你可以使用这个刚刚空闲出来的page分配给刚刚的page fault handler，再重新执行指令。重新运行指令稍微有些复杂，这包含了整个userret函数背后的机制以及将程序运行切换回用户空间等等。

Frans教授：以上就是常见操作系统的行为。这里的关键问题是，什么样的page可以被撤回？并且该使用什么样的策略来撤回page？
学生回答：Least Recently Used的page应该被撤回。
Frans教授：是的，这是最常用的策略。除了这个策略之外，还有一些其他的小优化。如果你要撤回一个page，你需要在dirty page和non-dirty page中做选择。dirty page是曾经被写过的page，而non-dirty page是只被读过但是没有被写过的page。你们会选择哪个来撤回？
学生回答：我会选择dirty page，因为它在某个时间点会被重新写回到内存中。
Frans教授：如果dirty page之后再被修改，现在你或许需要对它写两次了(一次内存，一次文件)，现实中会选择non-dirty page。如果non-dirty page出现在page table1中，你可以将内存page中的内容写到文件中，之后将相应的PTE标记为non-valid，这就完成了所有的工作。之后你可以在另一个页表重复使用这个page。所以通常来说这里优先会选择non-dirty page来撤回。
学生提问：对于一个cache，我们可以认为它被修改了但是还没有回写到后端存储时是dirty的。那么对于内存page来说，怎么判断dirty？它只存在于内存中，而不存在于其他地方。那么它什么时候会变成dirty呢？
Frans教授：对于memory mapped files，你将一个文件映射到内存中，然后恢复它，你就会设置内存page为dirty。
学生提问：所以这只对一个不仅映射了内存，还映射了文件的page有效？
Frans教授：是的，完全正确。一个page只要最近被写过，那么就会是dirty的。如果你们再看PTE，我们有RSW位，你们可以发现在bit7对应的就是Dirty bit。当硬件向一个page写入数据，会设置dirty bit，之后操作系统就可以发现这个page曾经被写入了。类似的，还有一个Access bit，任何时候一个page被读或者被写了，这个Access bit会被设置。

为什么这两个信息重要呢？它们能怎样帮助内核呢？
学生回答：没有被Access过的page可以直接撤回，是吗？
Frans教授：是的，或者说如果你想实现LRU，你需要找到一个在一定时间内没有被访问过的page，那么这个page可以被用来撤回。而被访问过的page不能被撤回。所以Access bit通常被用来实现这里的LRU策略。
学生提问：那是不是要定时的将Access bit恢复成0？
Frans教授：是的，这是一个典型操作系统的行为。操作系统会扫描整个内存，这里有一些著名的算法例如clock algorithm，就是一种实现方式。
学生提问：为什么需要恢复这个bit？
Frans教授：如果你想知道page最近是否被使用过，你需要定时比如每100毫秒或者每秒清除Access bit。如果在下一个100毫秒这个page被访问过，那你就知道这个page在上一个100毫秒中被使用了。而Access bit为0的page在上100毫秒未被使用。这样你就可以统计每个内存page使用的频度，这是一个成熟的LRU实现的基础。(可以通过Access bit来决定内存page 在LRU中的排名)

六、Memory mapped files

核心思想

Memory mapped files的核心思想是将完整或者部分文件加载到内存中，这样就可以通过内存地址相关的load或者store指令来操纵文件。为了支持这个功能，一个现代的操作系统会提供一个叫做mmap的系统调用。这个系统调用会接收一个虚拟内存地址(VA)，长度(len)，protection，一些标志位，一个打开文件的文件描述符和偏移量(offset)。

----这里的语义就是，从文件描述符对应的文件的偏移量的位置开始，映射长度为len的内容到虚拟内存地址VA，同时我们需要加上一些保护，比如只读或者读写。
----假设文件内容是读写并且内核实现mmap的方式是eager方式(不过大部分系统都不会这么做)，内核会从文件的offset位置开始将数据拷贝到内存，设置好PTE指向物理内存的位置。之后应用程序就可以使用load或者store指令来修改内存中对应的文件内容。当完成操作之后，会有一个对应的unmap系统调用，参数是虚拟地址(VA)、长度(len)来表明应用程序已经完成了对文件的操作。在unmap时间点，我们需要将dirty block写回到文件中。我们可以很容易的找到哪些block是dirty的，因为它们在PTE中的dirty bit为1。

当然，在任何聪明的内存管理机制中，所有的这些都是以lazy的方式实现。你不会立即将文件内容拷贝到内存中，而是先记录一下这个PTE属于这个文件描述符。相应的信息通常在VMA结构体中保存，VMA全称是Virtual Memory Area。例如对于这里的文件f，会有一个VMA，在VMA中我们会记录文件描述符、偏移量等，这些信息用来表示对应的内存虚拟地址的实际内容在哪，这样当我们得到一个位于VMA地址范围的page fault时，内核可以从磁盘中读数据，并加载到内存中。所以这里回答之前一个问题，dirty bit是很重要的，因为在unmap中你需要向文件回写dirty block。

问答

学生提问：有没有可能多个进程将同一个文件映射到内存，然后会有同步的问题？
Frans教授：好问题。这个问题其实等价于多个进程同时通过read/write系统调用读写一个文件会怎么样？这里的行为是不可预知的。write系统调用会以某种顺序出现，如果两个进程向一个文件的block写数据，要么第一个进程的write能生效，要么第二个进程的write能生效，只能是两者之一生效。在这里其实也是一样的，所以我们并不需要考虑冲突的问题。一个更加成熟的Unix操作系统支持锁定文件，你可以先锁定文件，这样就能保证数据同步。但是默认情况下，并没有同步保证。
学生提问：mmap的参数中，len和flag是什么意思？
Frans教授：len是文件中你想映射到内存中的字节数。prot是read/write。flags会在mmap lab中出现，我认为它表示了这个区域是私有的还是共享的。如果是共享的，那么这个区域可以在多个进程之间共享。
学生提问：如果其他进程直接修改了文件的内容，那么是不是意味着修改的内容不会体现在这里的内存中？
Frans教授：是的。但是如果文件是共享的，那么你应该同步这些变更。我记不太清楚在mmap中，文件共享时会发生什么。你们会在file system lab之后做这里相关的mmap lab，这将会是我们最后一个虚拟内存实验。

操作系统MIT6.S081：P6-＞Page faults

文章目录

一、Page fault

二、Lazy page allocation

三、Zero fill on demand

四、Copy-on-write(COW) fork

五、Demand paging

六、Memory mapped files

猜你喜欢