Project3: Virtual Memory - Management + Anonymous Page

1. 프로젝트 목표: "무한한 메모리의 환상"

• 핵심: 물리 메모리의 크기 한계를 극복하기 위해 디스크(Swap/File) 를 메모리의 연장선으로 사용한다.
  
• 원칙: Lazy Loading (게으른 로딩)
  • 당장 필요하지 않으면 메모리에 올리지 않고 장부(SPT)에만 적어둔다.
  • 실제로 필요해서 접근할 때(Page Fault) 비로소 메모리에 올린다.

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2. SPT (Supplemental Page Table)

"프로세스의 모든 메모리 자원을 관리하는 절대 장부" 하드웨어 페이지 테이블(PML4)은 멍청해서 주소 변환밖에 모른다. 페이지 상태(스왑, 파일 등)를 관리할 별도의 장부가 필요하다.

• 자료구조: 검색 속도가 빠른 Hash Table 사용 권장.
  
• 위치: 프로세스(struct thread) 내부에 존재.
  
• 구성요소: struct page (가상 페이지 정보를 담은 객체)
  • struct hash_elem hash_elem: 해시 테이블에 넣기 위해 반드시 추가해야 함.
  • Union: 메모리 절약을 위해 UNINIT, ANON, FILE 중 하나의 상태만 가지도록 설계됨.

SPT 메서드 구현

① 초기화 (spt_init)

• hash_init을 호출하여 빈 테이블을 만든다.
  
• 핵심: page_hash(해싱 함수)와 page_less(비교 함수)를 인자로 넘겨줘야 한다.
  • Key: 모든 기준은 가상 주소(va) 다.

② 검색 (spt_find_page)

• 문제: hash_find는 hash_elem을 요구하는데, 우린 va밖에 없다.
  
• 해결 (Dummy Page):
  1. dummy_page를 만들고 va를 채운다. (pg_round_down 필수!)
  2. hash_find에 dummy_page.hash_elem을 미끼로 던진다.
  3. 해시 함수는 오직 va만 보므로, 진짜 페이지를 찾아준다. (같은 녀석으로 인식)
• 반환: 찾은 elem을 hash_entry로 복원해서 page 반환.

③ 삽입 (spt_insert_page)

• 핵심: 이미 hash_insert가 중복 검사를 해주므로 별도의 검증 로직 불필요.
  
• insert 성공 시 NULL 반환, 실패 시 기존 요소 반환함.
  

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3. Frame Management (물리 메모리 관리)

"실제 땅(RAM)을 관리하고 연결하는 과정"

구조체 관계도 (3단 구조)

[ User Page (UVA) ] <---> [ Frame (KVA) ] <---> [ Physical Memory (PA) ]

• UVA: 사용자가 쓰는 가짜 주소. 권한이 없어서 물리 메모리에 직접 못 감.
  
• KVA: 커널이 쓰는 마스터키. 물리 메모리와 1:1 직통 연결됨.
  
• Page는 Frame을 가진다: page는 신청서, frame은 등기부. 둘을 연결해야 메모리 사용 가능.
  

Frame 메서드 구현

1. vm_get_frame (땅 확보):

   • palloc_get_page(PAL_USER): 유저 풀에서 4KB 땅(KVA)을 받아온다.
     
   • malloc: 커널 풀에서 struct frame 서류를 만든다.
     
   • 둘을 연결(frame->kva = kva)하고 반환.
     

2. vm_do_claim_page (연결):

   • vm_get_frame 호출.
     
   • page <-> frame 서로 포인터 연결.
     
   • pml4_set_page: 하드웨어(MMU)에 "이 가상 주소는 저 물리 주소다"라고 등록.
     
   • swap_in: 데이터 로딩 시작.
     

3. vm_claim_page (인터페이스):

   • va로 페이지 찾아서 vm_do_claim_page에 넘기는 결정자 역할.
     

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4. Lazy Loading의 전체 시나리오 (핵심 흐름)

"쪽지(Aux)를 써두고, 나중에 펴보고 심부름시킨다."

Load (프로그램 시작)

데이터를 메모리에 올리지 않고 쪽지(aux)만 써둔다.

• 함수: load_segment -> vm_alloc_page_with_initializer
  
• 동작:
  1. 파일을 4KB씩 쪼갠다.
  2. 쪽지(aux) 작성: "나중에 이 파일의 이 위치 읽어라."
  3. 페이지 생성: VM_UNINIT 상태로 만들고, 쪽지와 작업반장(lazy_load_segment)을 넣어둠.
  4. SPT 등록: 메모리는 비어있지만 장부에는 가득 참.

Page Fault (실행 중)

사용자가 주소를 건드려서 에러가 난다.

• 함수: vm_try_handle_fault -> vm_do_claim_page -> swap_in
  
• 동작:
  1. swap_in이 호출되면 uninit_initialize가 실행된다.
  2. 신분 세탁: anon_initializer 등을 호출해 VM_ANON 등으로 변신.
  3. 데이터 로딩: 아까 넣어둔 작업반장(lazy_load_segment) 호출.

Lazy Load (진짜 로딩)

• 함수: lazy_load_segment
  
• 동작:
  1. 쪽지(aux)를 펼쳐본다.
  2. file_read로 진짜 데이터를 읽어서 kva에 넣는다.
  3. 남은 공간은 memset(0)으로 청소한다 (보안!).

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5. Stack & Memory Mapping Details

Stack (스택) 초기화 (setup_stack)

• 특징: 파일 족보가 없다. 그냥 빈 메모리(VM_ANON)다.
  
• Eager Loading: 첫 페이지는 인자 전달(argc, argv)을 위해 당장 써야 하므로 바로 할당(claim)한다.
  
• 구현:
  1. vm_alloc_page(VM_ANON | VM_MARKER_0, ...) (예약)
  2. vm_claim_page(...) (즉시 할당)
  3. rsp 설정 (USER_STACK)

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6. Process Lifecycle (Copy & Kill)

Fork (spt_copy)

부모의 SPT를 hash_iterator로 돌면서 복사한다. 얕은 복사는 절대 금지!

• VM_UNINIT: 아직 로딩 안 됨 -> 계획(Initializer, Aux)만 복사.
  
• VM_ANON: 이미 로딩 됨 -> 물리 메모리 할당(claim) + 내용 복사(memcpy).
  • struct page를 복사하는 게 아니라, 내용물(4KB)을 복사해야 함!
    

Exit (spt_kill)

• hash_clear로 장부를 비우면서 destroy 호출 -> 자원 해제.