本文選題：頁遷移 + 物理大頁��； 參考：《浙江大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：物理內(nèi)存是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的核心硬件資源,同時(shí)也是短缺的資源。內(nèi)存中越來越多的進(jìn)程數(shù)量以及日益增長(zhǎng)的應(yīng)用程序的內(nèi)存占用,都讓物理內(nèi)存利用率的優(yōu)化永遠(yuǎn)不能停下腳步。在眾多物理內(nèi)存利用率的優(yōu)化方案中,大頁的運(yùn)用是一個(gè)典型的代表。大頁技術(shù)在減少TLB(TranslationLookasideBuffer,轉(zhuǎn)址旁路緩存)失效開銷的同時(shí),能減少操作系統(tǒng)管理的頁表項(xiàng)數(shù)量,被現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廣泛支持。目前Linux系統(tǒng)的大頁機(jī)制采用的是基于連續(xù)小頁的復(fù)合大頁。在這種機(jī)制下,頁描述符所描述的頁框依然是小頁頁框;需要大頁的時(shí)候,系統(tǒng)分配連續(xù)的小頁當(dāng)成一個(gè)大頁使用。復(fù)合大頁兼容了原有的基于小頁的物理內(nèi)存管理模塊,而且一般能切實(shí)有效地減少系統(tǒng)的頁表項(xiàng)和降低TLB的失效開銷。但是,這種復(fù)合大頁技術(shù)沒有減少管理物理內(nèi)存的元數(shù)據(jù)開銷,對(duì)大頁的操作常常要分解成對(duì)小頁操作的迭代。在空間和時(shí)間兩個(gè)方面,大頁技術(shù)都有進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。一種可能的優(yōu)化方案是物理大頁(頁描述符直接描述大頁)的運(yùn)用,但是物理大頁的運(yùn)用面臨著挑戰(zhàn)。首先,一般情況下物理小頁應(yīng)該得到保留。大頁在適用場(chǎng)景中確實(shí)能顯著提升整機(jī)性能和節(jié)約內(nèi)存空間,但是大頁的適用還是不如小頁廣泛。如果純用大頁,可能造成過多的內(nèi)部碎片,反而沒有提高內(nèi)存利用率。如果不放棄小頁,那么物理大頁就要與物理小頁共存,這為操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了不少問題,比如物理內(nèi)存空間如何分布,如何調(diào)整大頁和小頁的空間配額等等。本文從一種面向Linux系統(tǒng)下的hugetlbfs接口的物理大頁技術(shù)出發(fā),探討其可行的物理內(nèi)存空間布局。在一種物理大頁與小頁共存的布局下,設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種頁遷移方案來支持大小頁內(nèi)存池的運(yùn)行時(shí)調(diào)整。本文的主要工作有:研究分析了 Linux系統(tǒng)支持的大頁技術(shù),包括從系統(tǒng)程序員的角度看到的共享大頁內(nèi)存和映射大頁內(nèi)存,以及從內(nèi)核程序員的角度看到的透明大頁(THP)以及hugetlbfs,同時(shí)還研究分析了一種基于Linux的面向hugetlbfs的物理大頁技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了物理大頁上的頁遷移機(jī)制,并運(yùn)用大小頁的頁遷移機(jī)制,設(shè)計(jì)了一種混合頁粒度系統(tǒng)的頁遷移方案。實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)了這種頁遷移方案,并對(duì)內(nèi)存利用率的優(yōu)化進(jìn)行了量化分析。
[Abstract]:Physical memory is not only the core hardware resource of modern computer, but also the scarce resource. The increasing number of processes in memory and the memory footprint of growing applications make the optimization of physical memory utilization never stop. In many optimization schemes of physical memory utilization, the use of large pages is a typical example. Large page technology can reduce the overhead of TLBU Translation Lookaside buffer and reduce the number of page table items managed by the operating system. It is widely supported by modern computer systems. At present, the large page mechanism of Linux system adopts compound large page based on continuous small page. In this mechanism, the page frame described by the page descriptor is still a small page frame; when large pages are needed, the system allocates consecutive pages as a large page. The composite large pages are compatible with the original physical memory management module based on small pages, and generally can effectively reduce the page table items and the TLB failure overhead. However, this composite large page technique does not reduce the metadata overhead of managing physical memory, and operations on large pages are often decomposed into iterations of small page operations. In both space and time, large-page technology has the possibility of further optimization. One possible optimization scheme is the use of physical large pages (page descriptors directly describe large pages), but the use of physical large pages faces challenges. First of all, physical pages should normally be retained. Large pages do improve overall performance and save memory space in scenarios, but large pages are not as wide as small pages. If the use of large pages, may cause too much internal fragmentation, but not improve memory utilization. If we don't give up the small pages, the physical pages will coexist with the physical pages, which raises many problems for the design of the operating system, such as how to distribute the physical memory space, how to adjust the space quota of the large pages and the small pages, and so on. In this paper, a physical large page technology for hugetlbfs interface in Linux system is introduced, and its feasible physical memory space layout is discussed. Under a physical layout of large and small pages, a page migration scheme is designed and implemented to support runtime adjustment of large and small page memory pools. The main work of this paper is as follows: the large page technology supported by Linux system is studied and analyzed, including shared large page memory and mapped large page memory from the point of view of system programmer. From the point of view of kernel programmer, the paper also studies and analyzes a kind of physical large page technology for hugetlbfs based on Linux, as well as the transparent large page (THP) and hugetlbfs. The page migration mechanism on physical large pages is implemented, and a page migration scheme of mixed page granularity system is designed by using the page migration mechanism of large and large pages. The page migration scheme is evaluated and the optimization of memory utilization is analyzed quantitatively.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP333

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本文編號(hào)：1905261