2020 MIT6.s081 Page Fault & Lazy Page Allocation学习笔记

引起Page Fault的原因有很多种，其中一个很常见的原因就是Lazy Page Allocation，本文主要介绍其中几种Lazy Page Allocation方式。

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术语

1. eager: 饿汉方式申请物理内存，即在需要时马上申请。
2. lazy: 懒汉方式申请物理内存，即在用到时才申请。

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Zero Fill On Demand

1. 用户空间存在三个区域

   1. data: 已经被初始化的全局变量

   2. text： 程序的指令

   3. bss： 未被初始化和初始化为0的全局变量

2. bss段的值都为0，且bss段可能占用大量的page，如果在程序启动时我们就为bss分配物理页，则会减慢程序启动的速度，且如果我们一直未用到bss里的数据，就会导致大量的物理内存浪费。

3. 一个解决方法就是zero-fill-on-demand：刚开始时，将所有的bss页映射至一个物理地址（只读不可写）。如果后续需要为bss里的变量执行写操作，将其变为不为0的值，则新创建一个物理页，并将对应的BSS映射到新的物理页。这也是懒加载的一种体现。

4. 优点：减少内存使用量，提升程序的启动速度；缺点：会增加发生page fault的几率（也是时间换空间的一种体现）。

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Copy On Write Fork

1. 一般情况下，在我们用shell执行命令时，会涉及两个主要的系统调用，fork和exec，fork会将父进程的地址空间拷贝至子进程，子进程在执行exec之前，会将当前的地址空间丢弃，并重新加载新程序，重新生成地址空间。
2. 如果我们采用eager的方式方式执行上面的过程，则在fork时会申请内存空间、拷贝父进程的物理内存、映射内存空间等操作，在exec时又将fork申请的内存空间进行释放。这其实会浪费资源。
3. 如果我们采用懒汉的方式执行上面的过程，则过程如下：
   1. 在执行fork之后，子进程并不会申请新的物理内存，而是将自己虚拟空间中的PTE指向对应父进程的物理地址（为方便叙述，之后将这部分内存称为共享内存）。
   2. 如果子进程需要读共享内存，则正常读即可，如果子进程需要写物理内存，则此时会产生page fault，并进行真正意义上的物理内存分配，并将对应的物理内存拷贝至新分配的内存里。
4. 注意：一个物理页可能同时会有多个进程的虚拟地址与其映射，因此需要为每一份物理内存设置一个引用计数器，只有该物理地址的引用计数器为0时，才能将其释放。

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Demand Paging

1. 目前在XV6中，exec的加载程序时eager加载的方式，但是实际上我们可以使用懒加载的方式。
2. 即在开始时，并不分配物理内存，只是将程序的各个段位置设置好(data、text、bss)，并在某个地方记录好相应page对应的程序文件。
3. 当发生缺页中断时，此时才将对应位置的程序拷贝至物理内存，并设置好对应的映射。
4. 这些在加载时才分配页的技术就叫做Demand Paging.
5. 优点：某些二进制程序可能特别大，或者操作系统需同时执行大量的程序，此时若采用eager的方式进行物理页的分配，很容易产生OOM的问题，采用Demand Paging可以很好的解决这个问题。缺点：会产生缺页中断，影响程序的执行效率。
6. 问题：如果系统的物理内存不够了，此时怎么办呢？此时我们可以采用回撤页的方式，即先将一部分物理内存换页换出去。换页基于的策略有：
   1. LRU，即最近最少使用的页换出去；
   2. 基于a的优化，即在a的基础上，换页时进行相关的考虑。若有两种类型的页面，一种是Dirty Page（即最近被写过的页），一种是No DirtyPage（即最近没被写过的页，但是可能被读过），那么换页的时候推荐将No-DirtyPage换出去。备注：在PTE里，有10个标志位，这10个标志位标志了页面的一些属性，比如D（页面是否为Diryty Page），比如A（页面最近是否被访问过）。

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Memory Mapped Files

采用MMap的技术将文件映射到进程的虚拟内存里，这样读写文件会很快，因为省去了很多内核态和用户态之间的上下文切换（读写文件都走的系统调用，都需要进行内核态和用户态之间的反复切换）。

1. 这里的映射也是懒加载的方式；
2. 在操作完成之后，会将Dirty的block写回文件。

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寄存器辅助调试

在Page Fault里，我们可以借助以下三个寄存器排查问题：

SEPC：程序出错时用户程序计数器的值，表明发生错误时，用户空间的位置。

STVAL: 引起出错时的内存地址。

SCAUSE： 程序出错的原因。

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参考链接

https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081

https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2020/schedule.html