Nachos 实验11 设计并实现用户空间的虚拟内存管理上Word格式文档下载.docx
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//对应于图1中物理页
boolvalid;
//Ifthisbitisset,thetranslationisignored.
//(Inotherwords,theentryhasn'
tbeeninitialized.)
boolreadOnly;
//Ifthisbitisset,theuserprogramisnotallowed
//tomodifythecontentsofthepage.
booluse;
//Thisbitissetbythehardwareeverytimethe
//pageisreferencedormodified.
booldirty;
//pageismodified.
intin;
//Theaddressofthissegmentofdatainthefile.
//对于vmcode、vminitData,in代表在源文件中addr
//对应于图1中linux系统下文件*.noff.
//对于vmuninitData、vmuserStack,in代表在SWAP文件中位置
PageTypetype;
//Thetypeofthisentry.
//标明页中数据类型
};
为了实现虚拟内存页置换,在以上类中增加一个该页在文件中块偏移量in和当前页存储数据类型type。
其中type类型PageType定义为枚举类型,写在文件translate.h中。
enumPageType
{vmcode,vminitData,vmuninitData,vmuserStack};
分别代表此页数据为代码,初始化数据,未初始化数据,用户栈。
交换区SWAP
曾在实验7-8中,在progtest.cc文件中声明了BitMap*Mmbmp(如图1),记录mainMemory中物理页分配情况。
它位置表明了,此Mmbmp作用域是整个Nachos系统,它不隶属于任何一个用户进程。
当然,我们可以实现一个更好方式:
将Mmbmp放到Machine中,但是这要修改Machine定义,如果查看Machine类定义就可以知道,Machine牵扯到Nachos核心系统控制,为了尽量保证Nachos系统稳定性,则将BitMap*Mmbmp作为全局变量放在了progtest.cc中。
同样道理,将交换区文件SWAP生命周期与Mmbmp相似,同时SWAP也需要一个BitMap*S记录SWAP各个页使用情况,所以,在protest.cc中添加声明:
BitMap*Mmbmp=newBitMap(NumPhysPages);
//bitmapforallocatingofphysicalpagesinfjkdjkmainMemory.
BitMap*S=newBitMap(NumPhysPages);
//bitmapforS,
//assumethesizeofSisNumPhyPages.
OpenFile*S=>
Open("
SWAP"
);
//stubinNachos_Linux
//在lab11目录下建立文件SWAP
NoffHeader
修改原有结构体NoffHeader为类类型,目是为了能够将NoffHeader作为AddrSpace类私有实例变量存取,结构体无法实例化为类私有变量,所以将结构体NoffHeader重写,变为类NoffHeader,并一起更改结构体NoffSegment为类类型。
两者功能在保证原结构体功能基础上,为了调试和输出方便,添加输出函数Print()。
具体定义如下:
#defineNOFFMAGIC0xbadfad
classNoffSegment
{
intvirtualAddr;
intsize;
voidPrint();
NoffSegment();
~NoffSegment();
classNoffHeader
intnoffMagic;
NoffSegmentcode;
NoffSegmentinitData;
NoffSegmentuninitData;
NoffHeader();
~NoffHeader();
AddrSpace
扩展原有AddrSpace属性:
添加属性——当下正在执行用户文件指针OpenFile*executable,因为我们无法一次读取所有需要数据,更多情况下,我们边用边读,所以设置一个变量executable来保存指向用户文件指针。
添加属性——当下正在执行用户文件NoffHeader,因为NoffHeader在初始化时,将会加载到mainMemory0号地址中,一旦程序运行之后,原0号地址中内容必定会被用户程序重写,但因为我采用是bitmap做物理地址与虚地址变换,其中变换细节要求需要在进行物理和虚拟页变换时知道codevirtualAddr,initDatavirtualAddr等数据,(详细细节见AddrSpace:
:
Translate介绍)所以为了访问方便,设置其为用户进程一个属性。
添加virtualMem数组和p_vm指针,用来实现FIFO算法。
virtualMem存储是按进入内存先后顺序排列当前占用内存空间虚页,p_vm指针指向数组中当前将要被换出那个位置。
(详细说明见AddrSpace:
FIFO介绍)
private:
TranslationEntry*pageTable;
//Assumelinearpagetabletranslationfornow!
unsignedintnumPages;
//Numberofpagesinthevirtualaddressspace
OpenFile*executable;
//ApointertotheexecutingnoffH;
//TheheaderoftheOpen
intvirtualMem[MemPages];
//Storevirtualpagesofthepagesinthemainmemory
intp_vm;
//Thepointertonextmemorytos
添加AddrSpace实现用户空间虚拟内存函数:
voidInitPageTable();
//用于初始化AddrSpacepageTable基本信息
voidInitIn();
//初始化pageTable中各个entryin、type
voidFIFO(intnewPage);
//调用translate和swap实现先进先出虚拟内存置换算法
voidTranslate(intaddr,unsignedint*vpn,unsignedint*offset);
//将addr对应虚拟页页号vpn和页内偏移量offset计算出来
voidSoldPage,intnewPage);
//调用WriteBack和ReadIn
//实现将mainMemory中oldPage替换成newPage
voidWriteBack(intoldPage);
//将oldPage这一个页写回
//code和initData将会被写回文件;
//uninitData和userStack内容将会被写回交换区SReadIn(intnewPage);
//将newPage写入到mainMemory
//code和initData将通过in从文件中读出;
//uninitData和userStack或从交换区SWAP读出,或只是将mainMemory中分配到地址段清零
关键源代码与注释
首先,简要说明一下现在Nachos系统虚拟存储功能能力。
为了简便起见,规定系统默认给每个用户进程分配MemPages大小主存,当用户进程装入内存,进行数据初始化时候,按照用户程序在pageTable中存储顺序从前向后装入MemPages大小页到内存中去。
在用户进程在运行过程之中,如果访问内存无法找到想要virtualAddr,那么采用FIFO策略进行不同页之间切换。
那么接下来,按照一个用户进程在Nachos下执行过程顺序对本次实验程序进行解剖说明。
用户进程(pageTable)初始化
用户程序从progtest.ccStartProcess接口开始装载,通过传递OpenFile*executable到AddrSpacespace生成新AddrSpace实例。
此时space进行初始化:
AddrSpace:
AddrSpace(OpenFile*exe)
unsignedintsize;
executable=exe;
[1]
executable->
ReadAt((char*)&
noffH,sizeof(noffH),0);
if((noffH.noffMagic!
=NOFFMAGIC)&
&
(WordToHost(noffH.noffMagic)==NOFFMAGIC))
S(&
noffH);
ASSERT(noffH.noffMagic==NOFFMAGIC);
numPages=divRoundUp(noffH.code.size,PageSize)+divRoundUp(noffH.initData.size,PageSize)
+divRoundUp(noffH.uninitData.size,PageSize)+StackPages;
size=(MemPages+StackPages)*PageSize;
//加粗语句决定了在给定虚拟地址addr,换算虚页vpn和页内偏移量offset时不再是
//vpn=(unsigned)virtAddr/PageSize;
//offset=(unsigned)virtAddr%PageSize;
//具体转换令写函数AddrSpace:
Translate实现
printf("
numPagesis%d\n"
numPages);
numPages=%d+%d+%d+%d\n"
divRoundUp(noffH.code.size,PageSize),divRoundUp(noffH.initData.size,PageSize),
divRoundUp(noffH.uninitData.size,PageSize),StackPages);
DEBUG('
a'
"
Initializingaddressspace,numpages%d,size%d\n"
numPages,size);
//zeroouttheentireaddressspace,tozerotheunitializeddatasegment
//andthestacksegment
bzero(machine->
mainMemory,size);
//first,setupthetranslation
InitPageTable();
[2]
//then,copyinthecodeanddatasegmentsintomemory
InitIn();
[3]
Print();
}
[1]在原Nachosprogtest.cc中可以看到,当使用executable完成AddrSpacespace初始化工作后,采用了直接“deleteexecutable”语句,将文件关闭,但是在进行WriteBack和ReadIn函数调用过程中,仍然需要诸如“executable->
WriteAt(&
(machine->
mainMemory[pageTable[oldPage].physicalPage*PageSize]),PageSize,pageTable[oldPage].in);
”语句,所以注释掉progtest.cc中delete语句,将exectuable指针传递给AddrSpace,令AddrSpace属性保存控制executable。
[2]调用新添加到AddrSpace类中函数InitPageTable,这个函数主要作用是完成初始化原pageTable基本信息,这些信息都是不需要根据此Entrytype或者是NoffHeader就可以直接确定信息:
virtualPage,use,dirty,readOnly,valid,physicalPage等。
void
InitPageTable()
p_vm=0;
pageTable=newTranslationEntry[numPages];
for(inti=0;
i<
numPages;
i++)
{
pageTable[i].virtualPage=i;
//fornow,virtualpage#=physpage#
pageTable[i].use=FALSE;
pageTable[i].dirty=FALSE;
pageTable[i].readOnly=FALSE;
//ifthecodesegmentwasentirelyon
//aseparatepage,wecouldsetits
//pagestoberead-only
pageTable[i].in=-1;
//初始化in为-1,具体值会在Init中计算出。
if(i>
=numPages-StackPages)
pageTable[i].type=vmuserStack;
//wecanbesurethatthestack
//mustbelocatedinthelastStackPagespages,
//thusinitiatethetypeofstackpages.
//最后,将前MemPages个虚页内容分配mainMemory物理页,准备将其写入到mainMemory中去,写入过程有Init完成。
if(i<
MemPages)
virtualMem[p_vm]=pageTable[i].virtualPage;
//==i
p_vm=(p_vm+1)%MemPages;
pageTable[i].physicalPage=Mmbmp->
Find();
pageTable[i].valid=TRUE;
}
else{
pageTable[i].physicalPage=-1;
pageTable[i].valid=FALSE;
[3]新添加到AddrSpace中函数,作用是初始化各个pagein、type,并将已经分配了物理页page写入到mainMemory,通过调用[2][3],完成整个pageTable初始化工作。
InitIn()
if(noffH.code.size>
0)
unsignedintnumP=divRoundUp(noffH.code.size,PageSize);
numP;
i++)
pageTable[i].in=noffH.code.in+i*PageSize;
pageTable[i].type=vmcode;
if(pageTable[i].valid)
ReadAt(&
mainMemory[pageTable[i].physicalPage*PageSize]),PageSize,pageTable[i].in);
//Ifthepagehasbeenallocatedwithphysicalpage,readintothemainMemory
if(noffH.initData.size>
0)
unsignedintnumP,firstP;
numP=divRoundUp(noffH.initData.size,PageSize);
firstP=divRoundUp(noffH.initData.virtualAddr,PageSize);
for(inti=firstP;
numP+firstP;
pageTable[i].in=noffH.initData.in+(i-firstP)*PageSize;
pageTable[i].type=vminitData;
ReadAt(&
if(noffH.uninitData.size>
numP=divRoundUp(noffH.uninitData.size,PageSize);
firstP=divRoundUp(noffH.uninitData.virtualAddr,PageSize);
pageTable[i].type=vmuninitData;
{/*brzero();
*/}
需要说明是,在调用完InitIn函数之后,各中类型pageTableentrytype和in对应关系如下:
typein
vmcodenoffH.code.in+i*PageSize
vminitDatanoffH.initData.in+(i-firstP)*PageSize
vmuninitData-1
vmuserStack-1
请注意,最后两项vmuninitData和vmuserStack中in值初始化时都被定义为-1,但它们都有可能在程序执行过程中被赋予大于0值,当in值大于0时,表明此页已经被修改过,修改过页被写在SWAP交换区文件中in位置处。
缺页异常处理
用户进程在初始化完成后,正式开始执行,在执行过程中必然会出现mipscpu想要访问某个初始化时并不在mainMemory中virtualAddr,此时,发生缺页异常后,会进入userprog/exception.cc中ExceptionHandler函数,并且MIPSCPU想访问那个虚拟地址在寄存器BadVAddrReg中。
此时,只需使这个虚页进入主存,然后令MIPSCPU重新执行原来那条指令。
在处理缺页异常之前,我们应首先注意到,cpu访问内存时候用是virtualAddr,而非virtualPage,我们打开translate.ccMachine:
Translate方法就可以发现,cpu进行virtualAddr翻译成虚页号vpn和页内偏移量offset时使用默认方法是
vpn=(unsigned)virtAddr/PageSize;
offset=(unsigned)virtAddr%PageSize;
但是这样翻译得到结果,并不等价于我们pageTablevirtualPage(即pageTable数组下标号),回想我们设计在code,initData,uninitData,userStack之间两两存在着碎片。
所以为了让cpu明确地知道它究竟想要访问页是哪一个,在AddrSpace中添加方法Translate:
Translate(intaddr,unsignedint*vpn,unsignedint*offset)
{
intpage=-1;
into
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