Project 3 : VIRTUAL MEMORY - Memory Management (기입완료-수정중)

Memory Management

 

가상 메모리 시스템을 지원하려면 가상 페이지와 물리적 프레임을 효과적으로 관리해야 합니다. 즉, 어떤 (가상 또는 물리적) 메모리 영역이 어떤 목적으로, 누가, 어떤 용도로 사용되고 있는지 등을 추적해야 합니다. 먼저 보충 페이지 테이블을 다룬 다음 물리적 프레임을 다룰 것입니다. 이해를 돕기 위해 가상 페이지에는 '페이지'라는 용어를, 물리적 페이지에는 '프레임'이라는 용어를 사용한다는 점에 유의하세요.

 

Page Structure and Operations

struct page

include/vm/vm.h에 정의된 page는 가상 메모리에 있는 페이지를 나타내는 구조체(structure)입니다. 페이지에 대해 알아야 하는 모든 필수 데이터를 저장합니다. 현재 템플릿에서 구조체(structure)는 다음과 같습니다:

 

struct page {
  const struct page_operations *operations;
  void *va;              /* Address in terms of user space */
  struct frame *frame;   /* Back reference for frame */

  union {
    struct uninit_page uninit;
    struct anon_page anon;
    struct file_page file;
#ifdef EFILESYS
    struct page_cache page_cache;
#endif
  };
};

페이지 연산(아래 참조), 가상 주소 및 물리적 프레임이 있습니다. 또한 유니온 필드도 있습니다. 유니온은 메모리 영역에 서로 다른 유형의 데이터를 저장할 수 있는 특수 데이터 유형입니다. 유니온에는 여러 멤버가 있지만 한 번에 하나의 멤버만 값을 포함할 수 있습니다. 즉, 시스템에서 페이지는 uninit_page, anon_page, file_page 또는 page_cache가 될 수 있습니다. 예를 들어 페이지가 익명 페이지인 경우(익명 페이지 참조https://casys-kaist.github.io/pintos-kaist/project3/anon.html) 페이지 구조체에는 익명 페이지에 필요한 모든 정보를 포함하는 필드 구조체 anon_page anon이 멤버 중 하나로 포함됩니다.

 

Page Operations

위에서 설명한 대로 include/vm/vm.h에 정의된 대로 페이지의 위치는 VM_UNINIT, VM_ANON 또는 VM_FILE이 될 수 있습니다. 페이지에 대해 스왑인, 스왑아웃, 페이지 소멸 등 여러 가지 작업을 수행할 수 있습니다. 각 페이지 유형에 따라 이러한 작업에 필요한 단계와 작업이 다릅니다. 즉, VM_ANON 페이지와 VM_FILE 페이지에 대해 서로 다른 소멸 함수를 호출해야 합니다. 한 가지 방법은 각 함수에 스위치 케이스 구문을 사용하여 각 케이스를 처리하는 것입니다. 이를 처리하기 위해 객체 지향 프로그래밍의 "클래스 상속" 개념을 도입합니다. 실제로 C 프로그래밍 언어에는 "클래스"나 "상속"이라는 개념이 없으며, Linux와 같은 실제 운영 체제 코드에서 비슷한 방식으로 함수 포인터(https://www.geeksforgeeks.org/function-pointer-in-c/)를 활용하여 개념을 구현합니다.

 

함수 포인터는 지금까지 배운 다른 포인터와 마찬가지로 메모리 내의 함수 또는 실행 코드를 가리키는 포인터입니다. 함수 포인터는 런타임 값에 따라 특정 함수를 호출하여 검사 없이 실행할 수 있는 간단한 방법을 제공하기 때문에 유용합니다. 이 경우 코드 수준에서 단순히 destroy (page) 를 호출하는 것만으로도 충분하며, 컴파일러는 올바른 함수 포인터를 호출하여 페이지 유형에 따라 적절한 파괴 루틴을 선택합니다.

 

페이지 연산을 위한 구조체 page_operations는 include/vm/vm.h에 정의되어 있습니다. 이 구조를 3개의 함수 포인터를 포함하는 함수 테이블로 생각하면 됩니다.

struct page_operations {
  bool (*swap_in) (struct page *, void *);
  bool (*swap_out) (struct page *);
  void (*destroy) (struct page *);
  enum vm_type type;
};

이제 page_operation 구조체를 어디에서 찾을 수 있는지 살펴봅시다. include/vm/vm.h의 페이지 구조체 struct page를 살펴보면 operations라는 필드가 있는 것을 볼 수 있습니다. 이제 vm/file.c로 이동하면 함수 프로토타입 앞에 선언된 page_operations 구조체 file_ops를 볼 수 있습니다. 이것은 파일 백업 페이지에 대한 함수 포인터 표입니다. .destroy 필드에는 페이지를 삭제하는 함수이며 같은 파일에 정의된 file_backed_destroy 값이 있습니다.

 

함수 포인터 인터페이스로 file_backed_destroy가 어떻게 호출되는지 이해해 봅시다. vm_dealloc_page ( page ) (vm/vm.c에서)가 호출되고 이 페이지가 파일 file-backed page(VM_FILE)라고 가정합니다. 함수 내부에서는 destroy(page)를 호출합니다. destroy(page)는 다음과 같이 include/vm/vm.h에 매크로로 정의되어 있습니다:

 

#define destroy(page) if ((page)->operations->destroy) (page)->operations->destroy (page)

 

이것은 destroy 함수를 호출하면 실제로 페이지 구조에서 검색된 destroy 함수인 (page)->operations->destroy (page)를 호출한다는 것을 알려줍니다. 이 페이지는 VM_FILE 페이지이므로 .destroy 필드는 file_backed_destory를 가리킵니다. 결과적으로 file-backed page에 대한 destroy 루틴이 수행됩니다.

 

Implement Supplemental Page Table

이 시점에서 핀토에는 메모리의 가상 및 물리적 매핑을 관리하기 위한 페이지 테이블(pml4)이 있습니다. 그러나 이것만으로는 충분하지 않습니다. 이전 섹션에서 설명한 대로 페이지 오류 및 리소스 관리를 처리하기 위해 각 페이지에 대한 추가 정보를 저장할 supplementary page table도 필요합니다. 따라서 프로젝트 3의 첫 번째 과제로 supplementary page table에 대한 몇 가지 기본 기능을 구현하는 것이 좋습니다.

 

Implement supplemental page table management functions in vm/vm.c.

 

먼저 핀토스에서 supplemental page table를 어떻게 디자인할지 결정해야 합니다. 나만의 supplemental page table을 디자인한 후 디자인과 관련하여 아래 세 가지 기능을 구현합니다.

void supplemental_page_table_init (struct supplemental_page_table *spt);

supplemental page table를 초기화합니다. supplemental page table에 사용할 데이터 구조를 선택할 수 있습니다. 이 함수는 새 프로세스가 시작될 때(userprog/process.c의 initd에서), 프로세스가 포크될 때(userprog/process.c의 __do_fork에서) 호출됩니다.

struct page *spt_find_page (struct supplemental_page_table *spt, void *va);

주어진 supplemental page table에서 va에 해당하는 struct page를 찾습니다. 실패하면 NULL을 반환합니다.

 

bool spt_insert_page (struct supplemental_page_table *spt, struct page *page);

주어진 supplemental page table에 struct page를 삽입합니다. 이 함수는 주어진 supplemental page table에 가상 주소가 없는지 확인해야 합니다.

 

Frame Management

지금부터는 모든 페이지가 생성될 때의 메모리에 대한 메타데이터만을 보유하는 것이 아닙니다. 따라서 물리 메모리를 관리하기 위해서는 다른 체계가 필요합니다. include/vm/vm.h에는 물리적 메모리를 나타내는 struct frame이 존재합니다. 현재 구조체는 다음과 같습니다:

/* The representation of "frame" */
struct frame {
  void *kva;
  struct page *page;
};

커널 가상 주소인 kva와 page 구조체인 page의 두 필드만 있습니다. 프레임 관리 인터페이스를 구현할 때 멤버를 더 추가할 수 있습니다.

 

Implement <vm_get_frame>, <vm_claim_page> and <vm_do_claim_page> in vm/vm.c.

 

static struct frame *vm_get_frame (void);

palloc_get_page를 호출하여 user pool에서 새 physical page를 가져옵니다. user pool에서 페이지를 성공적으로 가져온 경우 프레임을 할당하고 멤버를 초기화하여 반환합니다. vm_get_frame을 구현한 후에는 이 함수를 통해 모든 사용자 공간 페이지(PALLOC_USER)를 할당해야 합니다. 페이지 할당에 실패할 경우 지금은 스왑 아웃을 처리할 필요가 없습니다. 당분간은 PANIC ("todo")으로 표시하면 됩니다.

 

bool vm_do_claim_page (struct page *page);

페이지를 요청합니다. 이것은 physical frame을 할당하는 것을 의미합니다. vm_get_frame(이것은 템플릿에 이미 제공되어 있습니다)을 호출하여 프레임을 가져옵니다. 그런 다음 MMU를 설정해야 합니다. 즉, 가상 주소에서 페이지 테이블의 실제 주소로 매핑을 추가합니다. 반환 값은 작업이 성공했는지 여부를 나타내야 합니다.

bool vm_claim_page (void *va);

VA를 할당할 페이지를 청구합니다. 먼저 페이지를 가져온 다음 해당 페이지로 vm_do_claim_page를 호출해야 합니다.