Pintos lab3 virtual memory review

📕 Virtual Memory

이번 lab3는 지난 주에 대한 피드백으로 csapp 책과 git book으로 전체적인 개념을 모두 이해한 뒤 코딩을 시작하였다. 물론 처음에는 뜬구름 잡는 소리처럼 읽히지만, git book에서 고치라고 한 부분은 일단 pintos에 todo를 달아 놓으면 전체적인 그림을 그려놓고 출발할 수 있었다. 지난 주 과제는 페어코딩을 했는데, 이번에는 내가 이해한 그대로 혼자 하드코딩하였다. 함수마다 printf()를 찍어 놓고 어떤 순서로 작동되고, 무슨 역할이 필요한지 파악하고자 노력하였다. 확실한 개념을 이해하면 코딩하는 속도가 훨씬 빠르고 아이디어를 빨리 적용시킬 수 있으면서도, test case에서 test하고자 하는 포인트도 빨리 파악할 수 있고 디버깅도 빠르다.

운이 좋았던 게, 일단 메모리 누수를 신경쓰지 않고 넘어간 다음에 모든 구현이 끝나면, 하나씩 누수를 잡아가는 방식으로 진행한 것이 성공적이었다.

virtual memory가 pintos 중에 가장 어렵다는 소문을 들었었는데, 걱정했던 것 보다는 어렵지는 않았다. syscall 보다 쉽다고 생각한다. 물론 지금 코드가 완벽하지는 않다. 다른 조에서 test case에는 없는 edge case를 알려주었다... 일단 지금 test case에 대해서는 통과하니깐... todo로 남겨두고 리뷰를 쓰자...

👉 Memory Management

가상 메모리를 사용하면 유저 프로그램은 마치 메모리가 한계가 없는 것처럼 illusion을 가질 수 있다. os의 역할은 유저가 요청한 page를 spt로 관리하고 frame을 통해 실제 물리 페이지를 관리한다. 이후 필요한 page가 있으면 frame과 pml4 연결 시켜주고,갈아 끼워준다. process 별로 spt를 가져서 page를 관리한다. spt는 hash 데이터 구조를 사용해 빠르게 검색할 수 있게 한다. 이전까지는 palloc_user_page를 통해 메로리를 할당 받아왔다면, 이제부터는 get_frame()을 통해 frame 구조체와 함께 관리되도록 한다.

👉 Anonymous Page

페이지들을 각 type을 갖는데 anonymous type은 disk와 관려없는 stack, heap, excutable 같은 메모리이다. 지금까지는 load_segment()를 통해 요청되자마자 메모리를 할당 시켰다면, 지금은 page만 선언해주고, fault가 났을 때 handler를 통해 lazyload()를 통해 나중에 접근했을 때 비로소 frame을 연결해 메모리를 할당해준다. lazylaod를 통해 물리 메모리를 절약할 수 있다. 일련의 과정이 어떤 순으로 일어나는지 파악하는게 중요했다.

spt를 copy해 줄 때도, 이 page가 이미 load된 상태인지, uninit 상태인지 잘 구별해야 한다. uninit 상태라면 나중에 load에 필요한 정보들도 aux를 새로 할당해서 잘 넘겨주어야 한다.

spt를 kill해줄 때는 type마다 삭제해야할 것이 다른 것을 인지해야하고, hash_clear()를 잘 이용해야한다. 생각해보면 대부분 흐름들이 templet으로 잘 구현되어있으니 잘 따라 구현했던 것 같다.

👉 Stack Growth

지금까지는 stack으로 한 page를 사용했는데, 이후에는 stack영역에서 page fault가 발생시, validate한 스택 영역에서의 오류인지 확인하고 stack memory를 추가로 할당시키도록 구현해줘야 한다. 적절한 범위인지 rsp를 통해 확인하는 과정이 있었는데 이 부분이 헷갈렸었다.

fault_handler()에서, 할당된 page에 대한 오류인지 확인하고, 그 다음은 스택 영역인지 확인해준다. 이 두 조건에 해당하지 않는다면 진짜 fault error다.

👉 Memory Mapped Files

mmap과 munmap을 구현한다. file backed type이 여기에 속한다. 파일을 메모리에 올리는 이유는 더 빠르게 접근하기 위해서이다. anon type과 마찬가지로 lazy load로 구현을 해준다. 주어진 length에 대해서 page와 파일을 읽을 부분에 대한 정보를 aux로 잘 저장해서 저장해둔다. 꼼꼼하게 짜야지 나중에 fork가 일어나거나 할 때 문제가 없다...
munmap을 해줄 때는 메모리에서 수정이 일어났다면, disk에 다시 잘 저장해 주어야 한다... (extra인 cow를 하면 더 효율적이게 메모리를 절약할 수 있지만... 어디까지나 extra이니깐...)

👉 Swap in/out

초반에 마치 메모리가 한계가 없는 것처럼 illusion을 만들 수 있다고 했는데, 바로 swap in/out 덕분이다. 메모리가 꽉차서 더 이상 할당 받을 수 없을 때, 기존의 메모리 page중에서 정책에 의해서 victim을 정해서 file backed 라면 다시 disk로, anon이라면 swap disk로 보내고, 그 자리를 할당해주는 것이다.

정책은 cache replacement policy 이런식으로 검색하면 많이 나온다. 나는 LRU에 nextfit을 구현했다. 이에 필요한 frame list는 list 데이터구조를 사용했고, swap dick는 bitmap을 사용했다. (extra인 cow를 구현하려면 공유되고 있는 메모리를 지우지 않도록 swap list가 필요하지만, 지금은 bitmap만으로 충분하다.)