【Nachos】山东大学操作系统实验七 虚拟内存

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一、完成情况一览

• 了解了Nachos虚拟内存机制，包括翻译物理地址，缺页异常
• 实现了页换入换出，基础的虚拟内存管理，包括解决缺页异常，帧分配，页置换等

二、虚拟内存管理设计

1、缺页异常

如果要访问的数据不在主存中，会引发缺页异常，然后处理异常，如果没有内存空间就选择一个页换出，将缺的这个页换入。这种机制，使得虚拟内存发挥了更大作用，我们可以在物理内存上运行需要更多虚拟内存的程序。

虚实地址转换的流程图，这其中可能引发缺页异常：

2、交换空间

换入换出需要交换空间，这里简单的将运行用户程序时传入的文件名作为AddrSpace的成员变量，将该文件作为交换空间。

3、缺页异常处理

需要主要考虑的是采用什么样的帧分配算法和页面置换算法。

这里采用固定分配+局部置换。

固定分配：不是完全固定，而是max（5，必需页数量+1），意味着，如果用户进程很大，它能分到的帧也会很多，必需页的数量由code和initData的总和决定

局部置换：只在本进程空间内寻找牺牲页。按照noff格式的定义，必需页是在虚拟空间的低地址，从零开始。考虑置换时，我们将保证这一部分页始终在内存中，而只选取其他页置换。暂时是随机置换算法，有机会可以实现二次机会算法。

4、硬件条件

nachos的页表项（TranslationEntry对象）已经具备了所需硬件条件。

有valid，dirty，use位。

三、实现过程

有了实验六系统调用的编写经历，处理缺页异常的过程很简单，主要工作在AddrSpace类的功能添加上。

• AddrSpace类增加

  pulic：
  	int findReplacedPage();
  	void replacePage(int badVAddr);  	
  	void writeback(int oldPage);	
    private:
      TranslationEntry *pageTable;	// Assume linear page table translation
  					// for now!
      int spaceID;
      unsigned int numPages;		// Number of pages in the virtual 
     char *filename;
  	//OpenFile *executable;   //整个虚拟内存空间
      int necessaryFrames;  //初始时，固定分配的最大帧数
  					// address space
  };
  

• 初始化用户空间AddrSpace(char *filename)更改

主要初始化 necessaryFrames变量，完成帧固定分配任务。

//******************************************
    necessaryFrames=divRoundUp(noffH.code.size + noffH.initData.size,PageSize);	
    int numFrames =max(MaxNumPhysPages,necessaryFrames+1); 
   
    ASSERT(numFrames <= NumPhysPages && numFrames <= freeMM_map->NumClear());		// check we're not trying
						// to run anything too big --
						// at least until we have
						// virtual memory

    DEBUG('a', "Initializing address space, num pages %d, size %d\n", 
					numPages, size);
// first, set up the translation 
    pageTable = new TranslationEntry[numPages];
	for (i=0;iFind();
			pageTable[i].valid = true;
			pageTable[i].use = false;
			pageTable[i].dirty = false;
			pageTable[i].readOnly = false; 
		
	}
	for(i;i

• 处理页错误中的置换函数部分

  int
  AddrSpace::findReplacedPage()
  {
  	printf("寻找oldPage换出！\n");
  	for (int i=necessaryFrames;i< numPages;i++){
  		if(pageTable[i].valid)
  			return i;
  	}
  }
  	 
  void 
  AddrSpace::replacePage(int badVAddr)
  {
  	int newPage=badVAddr/PageSize;
  	int oldPage=findReplacedPage();
  	printf("页置换！%d换出，%d换入\n",oldPage,newPage);
  	writeback(oldPage);
  	pageTable[oldPage].valid=false;
  	pageTable[newPage].physicalPage=pageTable[oldPage].physicalPage;
  	pageTable[newPage].valid=true;
  	pageTable[newPage].dirty = false;
  	pageTable[newPage].readOnly = false;
  	
  	//read to MM     
  	    OpenFile *executable = fileSystem->Open(filename);
  
  	    if (executable == NULL) {
  		printf("Unable to open file %s\n", filename);
  		return;
  	    }
  	    executable->ReadAt(&(machine->mainMemory[pageTable[newPage].physicalPage]),PageSize, newPage*PageSize);
  	    delete executable;
  	
       Print();
  	
  }
  	
  void 
  AddrSpace::writeback(int oldPage)
  {
  	if(pageTable[oldPage].dirty){
  		printf("dirty!写回磁盘，spaceId:%d,oldPage:%d\n",spaceID,oldPage);
  		OpenFile *executable = fileSystem->Open(filename);
  
  		    if (executable == NULL) {
  			printf("Unable to open file %s\n", filename);
  			return;
  		    }
  		executable->WriteAt(&(machine->mainMemory[pageTable[oldPage].physicalPage]),PageSize,oldPage*PageSize);
  		delete executable;
  	}
  }
  

• 页错误异常处理，和增加系统调用流程一样，因为都是中断

  void
  ExceptionHandler(ExceptionType which)
  {
      int type = machine->ReadRegister(2);
  
      if (which == SyscallException) {
  	switch(type){	
  	    case SC_Halt:
  		DEBUG('a', "Shutdown, initiated by user program.\n");
     		interrupt->Halt();
  		return;
  	    case SC_Exec:
  
  		interrupt->Exec();
  		AdvancePC();
  		return;
  	
  	}
      } else if(which == PageFaultException){
  		//缺页异常在这处理
  		interrupt->PageFault();
  	}
  	else{
  	printf("Unexpected user mode exception %d %d\n", which, type);
  	ASSERT(FALSE);
      }
  }
  

  在Interrupt类中增加Interrupt::PageFault()成员函数

  这里需注意，造成页错误的虚存地址在$BadVAddrReg寄存器中

  void
  Interrupt::PageFault()
  {// The failing virtual address on an exception
  	int badVAddr= machine->ReadRegister(BadVAddrReg);
  	AddrSpace *space=currentThread->space;
  	space->replacePage(badVAddr);
  }
  

• 为展示页置换效果，AddrSpace::Print()函数修改

  void
  AddrSpace::Print() 
  { 
  	printf("spaceID: %d\n",spaceID);
  	printf("page table dump: %d pages in total\n", numPages); 
  	printf("============================================\n"); 
  	printf("  VirtPage, PhysPage, valid, dirty,  use\n"); 
  	for (int i=0; i < numPages; i++) { 
  	printf("\t%d,\t%d,\t%d,\t%d,\t%d\n", pageTable[i].virtualPage,pageTable[i].physicalPage,pageTable[i].valid,pageTable[i].dirty,pageTable[i].use); 
  	} 
  	printf("============================================\n\n"); 
  }
  

• 细节：AddrSpace::AddrSpace()构造函数参数修改为文件名，所以，对应地，StartProgress以及Exec系统调用都要做小小的更改

四、结果展示

下面的图片请连成一幅图看