가상 메모리 시스템을 지원하기 위해서는 가상 페이지와 물리 프레임을 효율적으로 관리해야 합니다. 이는 어떤 (가상 또는 물리) 메모리 영역이 사용되고 있는지, 어떤 목적으로, 누구에 의해 사용되고 있는지 등을 추적해야 한다는 의미입니다. 먼저 보조 페이지 테이블을 다루고, 그 다음 물리 프레임을 다룰 것입니다. 이해를 돕기 위해 가상 페이지는 "page", 물리 페이지는 "frame"이라는 용어를 사용합니다.
페이지 구조와 연산
struct page
include/vm/vm.h에 정의된 page는 가상 메모리의 페이지를 나타내는 구조체입니다. 페이지에 대해 알아야 할 모든 필요한 데이터를 저장합니다. 현재 템플릿에서 구조체는 다음과 같이 보입니다:
struct page {
const struct page_operations *operations;
void *va; /* 사용자 공간 관점의 주소 */
struct frame *frame; /* 프레임에 대한 역참조 */
union {
struct uninit_page uninit;
struct anon_page anon;
struct file_page file;
#ifdef EFILESYS
struct page_cache page_cache;
#endif
};
};
C
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이 구조체는 페이지 연산(아래에서 설명), 가상 주소, 물리 프레임을 가지고 있습니다. 또한 union 필드를 가지고 있습니다. union은 메모리 영역에 다른 타입의 데이터를 저장할 수 있게 해주는 특별한 데이터 타입입니다.
union에는 여러 멤버가 있지만, 한 번에 하나의 멤버만 값을 포함할 수 있습니다. 이는 시스템의 페이지가 uninit_page, anon_page, file_page, 또는 page_cache가 될 수 있다는 의미입니다.
예를 들어, 페이지가 익명 페이지라면, 페이지 구조체는 멤버 중 하나로 struct anon_page anon 필드를 가질 것입니다. anon_page는 익명 페이지에 대해 필요한 모든 정보를 포함할 것입니다.
페이지 연산
위에서 설명하고 include/vm/vm.h에 정의된 바와 같이, 페이지는 VM_UNINIT, VM_ANON, 또는 VM_FILE이 될 수 있습니다.
페이지에 대해서는 스왑 인, 스왑 아웃, 페이지 파괴 등 여러 작업이 수행될 수 있습니다. 각 페이지 타입에 대해 이러한 작업에 필요한 단계와 작업이 다릅니다. 다시 말해, VM_ANON 페이지와 VM_FILE 페이지에 대해서는 다른 파괴 함수가 호출되어야 합니다. 한 가지 방법은 각 함수에서 각 케이스를 처리하기 위해 switch-case 구문을 사용하는 것입니다. 우리는 이를 처리하기 위해 객체지향 프로그래밍의 "클래스 상속" 개념을 소개합니다.
실제로 C 프로그래밍 언어에는 "클래스"나 "상속"이 없지만, Linux와 같은 실제 운영체제 코드에서와 유사한 방식으로 개념을 구현하기 위해 함수 포인터를 활용합니다.
함수 포인터는 지금까지 배운 다른 포인터와 마찬가지로 포인터이지만, 메모리 내의 함수나 실행 가능한 코드를 가리킵니다. 함수 포인터는 검사 없이 런타임 값에 기반하여 실행할 특정 함수를 호출하는 간단한 방법을 제공하기 때문에 유용합니다.
우리의 경우, 코드 레벨에서 단순히 destroy(page)를 호출하는 것으로 충분하며, 컴파일러는 올바른 함수 포인터를 호출하여 페이지 타입에 따라 적절한 destroy 루틴을 선택할 것입니다.
페이지 연산을 위한 구조체 struct page_operations는 include/vm/vm.h에 정의되어 있습니다. 이 구조체를 3개의 함수 포인터를 포함하는 함수 테이블로 생각하세요.
struct page_operations {
bool (*swap_in) (struct page *, void *);
bool (*swap_out) (struct page *);
void (*destroy) (struct page *);
enum vm_type type;
};
C
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이제 page_operation 구조체를 어디서 찾을 수 있는지 살펴봅시다. include/vm/vm.h의 페이지 구조체 struct page를 보면, operations라는 필드가 있는 것을 볼 수 있습니다. 이제 vm/file.c로 가면, 함수 프로토타입 전에 선언된 page_operations 구조체 file_ops를 볼 수 있습니다. 이는 파일 지원 페이지를 위한 함수 포인터 테이블입니다. .destroy 필드는 file_backed_destroy 값을 가지며, 이는 페이지를 파괴하는 함수이고 같은 파일에 정의되어 있습니다.
함수 포인터 인터페이스로 file_backed_destroy가 어떻게 호출되는지 이해해봅시다. vm_dealloc_page(page) (vm/vm.c에서)가 호출되고, 이 페이지가 파일 지원 페이지(VM_FILE)라고 가정해봅시다. 함수 내에서 destroy(page)를 호출합니다. destroy(page)는 include/vm/vm.h에서 다음과 같은 매크로로 정의됩니다:
#define destroy(page) if ((page)->operations->destroy) (page)->operations->destroy (page)
C
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이는 destroy 함수를 호출하는 것이 실제로는 (page)->operations->destroy(page)를 호출한다는 것을 알려줍니다. 이는 페이지 구조체에서 검색된 destroy 함수입니다. 페이지가 VM_FILE 페이지이므로, 그 .destroy 필드는 file_backed_destroy를 가리킵니다. 결과적으로 파일 지원 페이지를 위한 파괴 루틴이 수행됩니다.
보조 페이지 테이블 구현
현재 여러분의 핀토스는 메모리의 가상-물리 매핑을 관리하기 위한 페이지 테이블(pml4)을 가지고 있습니다. 그러나 이것만으로는 충분하지 않습니다. 이전 섹션에서 논의한 바와 같이, 페이지 폴트 처리와 자원 관리를 위해 각 페이지에 대한 추가 정보를 보유할 보조 페이지 테이블이 필요합니다. 따라서 프로젝트 3의 첫 번째 작업으로 보조 페이지 테이블에 대한 몇 가지 기본 기능을 구현하는 것을 제안합니다.
vm/vm.c에서 보조 페이지 테이블 관리 함수를 구현하세요.
먼저 핀토스에서 보조 페이지 테이블을 어떻게 설계할지 결정해야 합니다. 자신만의 보조 페이지 테이블을 설계한 후, 설계에 따라 아래 세 함수를 구현하세요.
void supplemental_page_table_init (struct supplemental_page_table *spt);
보조 페이지 테이블을 초기화합니다. 보조 페이지 테이블에 사용할 데이터 구조를 선택할 수 있습니다. 이 함수는 새 프로세스가 시작될 때(userprog/process.c의 initd에서)와 프로세스가 포크될 때(userprog/process.c의 __do_fork에서) 호출됩니다.
struct page *spt_find_page (struct supplemental_page_table *spt, void *va);
주어진 보조 페이지 테이블에서 va에 해당하는 struct page를 찾습니다. 실패하면 NULL을 반환합니다.
bool spt_insert_page (struct supplemental_page_table *spt, struct page *page);
주어진 보조 페이지 테이블에 struct page를 삽입합니다. 이 함수는 가상 주소가 주어진 보조 페이지 테이블에 존재하지 않는지 확인해야 합니다.
프레임 관리
이제 모든 페이지는 구성될 때 메모리에 대한 메타데이터만 보유하지 않습니다. 따라서 물리 메모리를 관리하기 위한 다른 체계가 필요합니다. include/vm/vm.h에는 물리 메모리를 나타내는 struct frame이 존재합니다. 현재 구조체는 다음과 같습니다:
/* 프레임의 표현 */
struct frame {
void *kva;
struct page *page;
};
C
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두 개의 필드만 있습니다 - 커널 가상 주소인 kva와 페이지 구조체인 page입니다.
프레임 관리 인터페이스를 구현하면서 더 많은 멤버를 추가할 수 있습니다.
vm/vm.c에서 vm_get_frame, vm_claim_page, vm_do_claim_page를 구현하세요.
static struct frame *vm_get_frame (void);
palloc_get_page를 호출하여 사용자 풀에서 새 물리 페이지를 얻습니다. 사용자 풀에서 페이지를 성공적으로 얻으면, 프레임도 할당하고, 멤버를 초기화하고, 반환합니다. vm_get_frame을 구현한 후에는 이 함수를 통해 모든 사용자 공간 페이지(PALLOC_USER)를 할당해야 합니다. 페이지 할당 실패의 경우 지금은 스왑 아웃을 처리할 필요가 없습니다. 지금은 그런 경우를 PANIC("todo")로 표시하세요.
bool vm_do_claim_page (struct page *page);
페이지를 클레임합니다. 즉, 물리 프레임을 할당합니다. 먼저 vm_get_frame을 호출하여 프레임을 얻습니다(이는 이미 템플릿에서 완료되었습니다). 그 다음 MMU를 설정해야 합니다. 다시 말해, 페이지 테이블에서 가상 주소에서 물리 주소로의 매핑을 추가합니다. 반환 값은 작업이 성공했는지 여부를 나타내야 합니다.
bool vm_claim_page (void *va);
va를 할당하기 위해 페이지를 클레임합니다. 먼저 페이지를 얻고 그 페이지로 vm_do_claim_page를 호출해야 합니다.