Lab3：虚拟内存管理

前言

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

覆盖和技术

• 覆盖

依据程序逻辑结构，将程序划分为若干功能相对独立的模块；将不会同时执行的模块共享同一块内存区域

但是由于需要程序员来划分功能模块和确定模块之间的覆盖关系，所以增加了编程难度，并且也增加了执行时间

• 交换

交换技术和覆盖技术讨论的不一样的是，交换技术讨论的是当前内存足够当前的单个程序运行的内存，但是对于多道程序可能会有运行内存不够的情况

实现方法可以将暂时不能运行的程序放到外存当中，再运行时来执行换入换出操作

虚拟内存

在装载程序时，只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存，指令执行中需要的指令或数据不在内存（称为缺页）时，处理器通知操作系统将相应的页面调入内存，操作系统将内存中暂时不同的页面保存到外存

虚拟内存在页机制的基础上，也就是增加了请求调页和页面置换

• 当用户程序要装载到内存运行时，只装入部分页面，就启动程序运行
• 进程在运行中发现有需要的代码或数据不在内存时，则向系统发出缺页异常请求
• 操作系统在处理缺页异常时，将外存中相应的页面调入内存，使得进程能继续运行

页表项结构

• 驻留位：表示该页是否在内存
  
• 修改位：表示在内存中的该页是否被修改过
• 访问位：表示该页面是否被访问过（读或写）
• 保护位：表示该页的允许访问方式

缺页中断处理

1. 在内存中有空闲物理页面时，分配一物理页帧f，转第5步；
2. 依据页面置换算法选择将被替换的物理页帧f，对应逻辑页q
3. 如q被修改过，则把它写回外存；
4. 修改q的页表项中驻留位置为0；
5. 将需要访问的页p装入到物理页面f
6. 修改p的页表项驻留位为1,物理页帧号为f；
7. 重新执行产生缺页的指令

页面置换

刚刚在上面说到当发生缺页中断的时候，可能当前已经没有了空闲的物理页了，那就需要进行页面置换

局部页面置换算法

置换的页面仅限于当前进程占用的物理页面内

• 先进先出算法
  维护一个记录所有位于内存中的逻辑页面链表，链表元素按驻留内存的时间排序，链首最长，链尾最短，出现缺页时，选择链首页面进行置换，新页面加到链尾

• 最近最久未使用算法
  缺页时，计算内存中每个逻辑页面的上一次访问时间，选择上一次使用到当前时间最长的页面

  最近最久未使用算法实现一般有两种方法：
  1. 页面链表
     系统维护一个按最近一次访问时间排序的页面链表，访问内存时，找到相应页面，并把它移到链表之首，缺页时，置换链表尾节点的页面
  2. 活动页面栈
     访问页面时，将此页号压入栈顶，并栈内相同的页号抽出，缺页时，置换栈底的页面

• 时钟置换算法
  在页表项中增加访问位，描述页面在过去一段时间的内访问情况，各页面组织成环形链表，指针指向最先调入的页面，访问页面时，在页表项记录页面访问情况，缺页时，从指针处开始顺序查找未被访问的页面进行置换

• 最不常用算法
  缺页时，置换访问次数最少的页面，访问页面时，访问计数加1

全局页面置换算法

置换的页面包括所有可用的物理页面内

• 工作集置换算法
  当前时刻前τ个内存访问的页引用是工作集，τ被称为窗口大小，访存链表：维护窗口内的访存页面链表，访存时，换出不在工作集的页面；更新访存链表，缺页时，换入页面；更新访存链表

• 缺页率置换算法
  访存时，设置引用位标志，缺页时，计算从上次缺页时间tlast 到现在tcurrent 的时间间隔，如果 tcurrent – tlast>T, 则置换所有在[tlast , tcurrent ]时间内没有被引用的页，如果tcurrent – tlast ≤ T, 则增加缺失页到工作集中

缺页中断代码实现

当启动分页机制以后，如果一条指令或数据的虚拟地址所对应的物理页框不在内存中或者访问的类型有错误（比如写一个只读页或用户态程序访问内核态的数据等），就会发生页访问异常

和之前说的普通的中断一样，由CPU发送一个中断信号，然后到最后是由trap_dispatch进行分发处理

case T_PGFLT:  //page fault
    if ((ret = pgfault_handler(tf)) != 0) {
        print_trapframze(tf);
        panic("handle pgfault failed. %e\n", ret);
    }
    break;

其中最重要的就是处理缺页异常的函数

int
do_pgfault(struct mm_struct *mm, uint32_t error_code, uintptr_t addr) {
    int ret = -E_INVAL;
    struct vma_struct *vma = find_vma(mm, addr);

    pgfault_num++;
    if (vma == NULL || vma->vm_start > addr) {
        cprintf("not valid addr %x, and  can not find it in vma\n", addr);
        goto failed;
    }
    //check the error_code
    switch (error_code & 3) {
    default:
            /* error code flag : default is 3 ( W/R=1, P=1): write, present */
    case 2: /* error code flag : (W/R=1, P=0): write, not present */
        if (!(vma->vm_flags & VM_WRITE)) {
            cprintf("do_pgfault failed: error code flag = write AND not present, but the addr's vma cannot write\n");
            goto failed;
        }
        break;
    case 1: /* error code flag : (W/R=0, P=1): read, present */
        cprintf("do_pgfault failed: error code flag = read AND present\n");
        goto failed;
    case 0: /* error code flag : (W/R=0, P=0): read, not present */
        if (!(vma->vm_flags & (VM_READ | VM_EXEC))) {
            cprintf("do_pgfault failed: error code flag = read AND not present, but the addr's vma cannot read or exec\n");
            goto failed;
        }
    }
    
    uint32_t perm = PTE_U;
    if (vma->vm_flags & VM_WRITE) {
        perm |= PTE_W;
    }
    addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);

    ret = -E_NO_MEM;

    pte_t *ptep=NULL;
    
    if ((ptep = get_pte(mm->pgdir, addr, 1)) == NULL) {
        cprintf("get_pte in do_pgfault failed\n");
        goto failed;
    }
    
    if (*ptep == 0) { // if the phy addr isn't exist, then alloc a page & map the phy addr with logical addr
        if (pgdir_alloc_page(mm->pgdir, addr, perm) == NULL) {
            cprintf("pgdir_alloc_page in do_pgfault failed\n");
            goto failed;
        }
    }
    else { // if this pte is a swap entry, then load data from disk to a page with phy addr
           // and call page_insert to map the phy addr with logical addr
        if(swap_init_ok) {
            struct Page *page=NULL;
            if ((ret = swap_in(mm, addr, &page)) != 0) {
                cprintf("swap_in in do_pgfault failed\n");
                goto failed;
            }    
            page_insert(mm->pgdir, page, addr, perm);
            swap_map_swappable(mm, addr, page, 1);
            page->pra_vaddr = addr;
        }
        else {
            cprintf("no swap_init_ok but ptep is %x, failed\n",*ptep);
            goto failed;
        }
   }
   ret = 0;
failed:
    return ret;
}

• 首先查找此地址是否在某个VMA的地址范围内和根据errorcode看是否满足正确的读写权限
• 如果在此范围内并且权限也正确，这认为这是一次合法访问，但没有建立虚实对应关系
• 如果都不是就是需要进行页的换入操作

页面置换机制代码实现

页面置换这里采用了最简单的FIFO算法

其中最重要的两个函数是_fifo_map_swappable和_fifo_swap_out_victim

static int _fifo_map_swappable(struct mm_struct *mm, uintptr_t addr, struct Page *page, int swap_in) {        
    list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;   
    list_entry_t *entry=&(page->pra_page_link);          
    assert(entry != NULL && head != NULL);   
    list_add(head, entry); //将最近用到的页面添加到次序队尾  
    return 0;   
} 

它的主要作用是将最近被用到的页面添加到算法所维护的次序队列

static int  
_fifo_swap_out_victim(struct mm_struct *mm, struct Page ** ptr_page, int in_tick) {       
    list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;          
    assert(head != NULL);      
    assert(in_tick==0);
    list_entry_t *le = head->prev;  //用le指示需要被换出的页             
    assert(head!=le);  
    struct Page *p = le2page(le, pra_page_link);//le2page宏可以根据链表元素获得对应的Page指针p      
    list_del(le);      //将进来最早的页面从队列中删除      
    assert(p !=NULL);       
    *ptr_page = p; //将这一页的地址存储在ptr_page中
    return 0; 
}

_fifo_swap_out_victim()函数是用来查询哪个页面需要被换出，它的主要作用是用来查询哪个页面需要被换出