PintOS. Virtual Memory 구현하기(Anonymous Page)

🌻구현 예정 리스트🌼
1. Memory Management
2. Anonymous Page
3. Stack Growth
4. Memory Mapped Files
5. Swap in/out

2. Anonymous Page(익명페이지)

익명페이지 : 파일(디스크) 기반이 아닌 어떤 하나의 이미지 같은 non-disk 페이지를 의미한다. 커널로부터 할당된 페이지로서, 익명 맵핑은 백업 파일이나 장치가 없다. 코드 세그먼트와 데이터 세그먼트는 파일 기반 페이지에서 load 되는 반면, 익명 페이지는 스택과 힙을 할당해준다. 익명 페이지를 나타내는 구조체인 anon_page는 anon.h에 선언되어 있다. 또한 struct page를 보면, 페이지가 익명페이지인 경우를 위해 struct anon_page anon을 멤버로 포함하고 있다.

지연 로딩을 활용한 페이지 초기화 : 지연 로딩은 필요 시점까지 메모리의 로딩을 지연시키는 방법이다. 페이지가 할당되었다는 것은 대응되는 페이지 구조체는 있지만 연결된 물리 메모리 프레임이 아직 없고 페이지에 대한 실제 내용들이 아직 로드되지 않았다는 것을 의미한다. 페이지 폴트를 통해 실제로 로드가 필요하다는 시그널을 받을 때 내용들이 로드 될 것이다.
페이지는 3가지 타입이 있고, 각 페이지 타입 별로 초기화 루틴이 다르다. high-level 관점에서 페이지 초기화 과정을 보자.

1. 커널이 새로운 페이지를 달라는 요청을 받으면, vm_alloc_page_with_initializer가 호출된다. 이 함수는 페이지 구조체를 할당하고, 페이지 타입에 맞는 초기화 함수를 세팅하여 새로운 페이지를 초기화한다. 그리고 유저 프로그램으로 제어권을 넘긴다.
2. 유저 프로그램이 실행될 때, 지연 로딩으로 인해 콘텐츠가 아직 로드되지 않은 페이지에 접근하게 되면 페이지 폴트가 일어난다. 이 페이지 폴트를 처리하는 과정에서 uninit_initialize를 호출하고 이전에 세팅해놓은 초기화 함수를 호출한다.
3. 익명 페이지를 위한 초기화 함수는 anon_initializer이고, 파일 기반 페이지를 위한 초기화 함수는 file_backed_initializer다.

페이지는 초기화->페이지폴트->지연로딩->스왑인->스왑아웃->…->삭제라는 생명 주기를 갖는다. 페이지 타입 별로 초기화 방법이 다른 것처럼, 생명 주기의 각 상태 변이마다 페이지 타입 별로 다른 프로시저가 요구된다. 이번 프로젝트에서 각 페이지 타입 별로 다른 상태 변이의 과정들을 구현해야 한다.

3. 실행가능파일을 위한 지연 로딩

지연 로딩에서는 프로세스가 실행을 시작할 때, 당장 필요한 메모리 파트만 메인 메모리에 로드된다. 지연 로딩은 동시에 모든 바이너리 이미지들을 로드하는 즉시 로딩보다 상대적으로 오버헤드를 줄일 수 있다.
지연 로딩을 지원하기 위한 VM_UNINIT라고 불리는 페이지 타입이 있다. 모든 페이지들은 초기에 VM_UNINIT 타입의 페이지로 생성된다.

enum vm_type {
	/* page not initialized */
	VM_UNINIT = 0,
	/* page not related to the file, aka anonymous page */
	VM_ANON = 1,
	/* page that realated to the file */
	VM_FILE = 2,
	/* page that hold the page cache, for project 4 */
	VM_PAGE_CACHE = 3,

	/* Bit flags to store state */

	/* Auxillary bit flag marker for store information. You can add more
	 * markers, until the value is fit in the int. */
	VM_MARKER_0 = (1 << 3),
	VM_MARKER_1 = (1 << 4),

	/* DO NOT EXCEED THIS VALUE. */
	VM_MARKER_END = (1 << 31),
};

uninit_page 구조체로 초기화되지 않은 페이지들을 위한 페이지 구조체를 제공한다. 초기화되지 않은 페이지를 생성, 초기화, 삭제하는 함수들은 include/vm/uninit.c에서 찾을 수 있다.
페이지 폴트가 일어나면, 페이지 폴트 핸들러는 vm_try_handle_fault 함수에게 제어권을 넘긴다. 이 함수는 유효한 페이지 폴트인지를 우선 검사한다. 이 페이지 폴트가 유효하지 않은 페이지에 접근한 폴트라면 유효한 페이지 폴트일 것이다. 그게 아닌 bogus 폴트라면 페이지에서 콘텐츠를 로드하고 유저 프로그램에게 제어권을 반환해야한다.
→ bogus fault : 물리메모리와 맵핑되어 있지만 콘텐츠가 로드 되어 있지 않은 경우
→ 맵핑이 안된 거면 valid page fault, 맵핑은 되어있는데 콘텐츠가 로드가 안된 거면 bogus fault

Bogus 페이지 폴트가 일어나는 3가지 경우가 있다. 지연 로딩 페이지, 스왑 아웃 페이지, 쓰기 보호 페이지. 지금은 첫 번째 케이스인 지연 로드 페이지에 대해서만 생각해보자. 만약 지연 로딩 때문에 페이지 폴트가 일어나면, 커널은 세그먼트를 지연 로딩하기 위해 vm_alloc_page_with_initializer 함수에서 세팅해 놓은 초기화 함수를 호출한다. userprog/process.c에 있는 lazy_load_segment 함수를 구현해야 한다.

bool vm_alloc_page_with_initializer (enum vm_type type, void *upage,
		bool writable, vm_initializer *init, void *aux);

Userprog/process.c 에 있는 load_segment와 lazy_load_segment를 구현해라. 실행파일로부터 세그먼트가 로드 되는 것을 구현해라. 이러한 모든 페이지들은 지연 로드될 것이다. 즉, 이 페이지들에 발생한 page fault를 커널이 다룰 것이다.
Program loader의 핵심인 userprog/process.c의 load_segment loop 내부를 수정해야한다. 루프를 돌 때마다 load_segment는 대기 중인 페이지 오브젝트를 생성하는 vm_alloc_page_with _initializer를 호출한다. 페이지 폴트가 발생하는 순간은 세그먼트가 실제로 파일에서 로드될 때다.
→ bool load_segment() : 현재 코드는 메인 루프 안에서 파일로부터 읽을 바이트의 수와 0으로 채워야 할 바이트의 수를 측정한다. 그리고 그것은 대기 중인 오브젝트를 생성하는 vm_alloc_page_with_initializer 함수를 호출한다. 이 함수에게 제공할 aux 인자로써, 보조 값들을 설정할 필요가 있다. 바이너리 파일을 로드할 때 필수적인 정보를 포함하는 구조체를 생성하는 것이 좋다.
→ bool lazy_load_segment() : load_segment 함수 내부의 vm_alloc_page_with_initializer의 네 번째 인자가 lazy_load_segment라는 것을 알아차렸을 것이다. 이 함수는 실행 가능한 파일의 페이지들을 초기화하는 함수이고 page fault가 발생할 때 호출된다. 이 함수는 페이지 구조체와 aux를 인자로 받는다. aux는 load_segment에서 당신이 설정하는 정보다. 이 정보를 사용하여 세그먼트를 읽을 파일을 찾고 최종적으로는 세그먼트를 메모리에서 읽어야한다.
스택 할당부분이 새로운 메모리 관리 시스템에 적합할 수 있도록 userprog/process.c에 있는 setup_stack을 수정해야한다. 첫 스택 페이지는 지연적으로 할당될 필요가 없다. 페이지 폴트가 발생하는 것을 기다릴 필요없이 그것(스택 페이지)을 로드될 때 커맨드 라인의 인자들과 함께 할당하고 초기화 할 수 있다. 당신은 스택을 확인하는 방법을 제공해야한다. 당신은 vm/vm.h의 vm_type에 있는 보조 marker(VM_MARKER_0)들을 페이지를 마킹하는데 사용할 수 있다.
최종적으로 spt_find_page를 거쳐 spt를 참고하여 fault된 주소에 대응하는 페이지 구조체를 해결하기 위한 함수 vm_try_handle_fault를 수정해라.