Nachos 实验11 设计并实现用户空间的虚拟内存管理上Word文档格式.docx
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mainMemory"
//对应于图1中的物理页
boolvalid;
//Ifthisbitisset,thetranslationisignored.
//(Inotherwords,theentryhasn'
tbeeninitialized.)
boolreadOnly;
//Ifthisbitisset,theuserprogramisnotallowed
//tomodifythecontentsofthepage.
booluse;
//Thisbitissetbythehardwareeverytimethe
//pageisreferencedormodified.
booldirty;
//pageismodified.
intinFileAddr;
//Theaddressofthissegmentofdatainthefile.
//对于vmcode、vminitData,inFileAddr代表在源文件中的addr
//对应于图1中的linux系统下的文件*.noff.
//对于vmuninitData、vmuserStack,inFileAddr代表在SWAP文件中的位置
PageTypetype;
//Thetypeofthisentry.
//标明页中数据的类型
};
为了实现虚拟内存的页置换,在以上类中增加一个该页在文件中块偏移量inFileAddr和当前页存储的数据的类型的type。
其中type的类型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中物理页的分配情况。
它的位置表明了,此Mmbmp的作用域是整个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的方式:
将Mmbmp放到Machine中,但是这要修改Machine的定义,如果查看Machine类定义就可以知道,Machine牵扯到Nachos的核心的系统控制,为了尽量保证Nachos系统的稳定性,则将BitMap*Mmbmp作为全局变量放在了progtest.cc中。
同样的道理,将交换区文件SWAP的生命周期与Mmbmp相似,同时SWAP也需要一个BitMap*SwapBitmap记录SWAP各个页的使用情况,所以,在protest.cc中添加声明:
BitMap*Mmbmp=newBitMap(NumPhysPages);
//bitmapforallocatingofphysicalpagesinfjkdjkmainMemory.
BitMap*SwapBitmap=newBitMap(NumPhysPages);
//bitmapforSWAPfile,
//assumethesizeofSWAPfileisNumPhyPages.
OpenFile*SwapFile=fileSystem->
Open("
SWAP"
);
//stubinNachos_Linux
//在lab11的目录下建立文件SWAP
NoffHeader
修改原有的结构体NoffHeader为类类型,目的是为了能够将NoffHeader作为AddrSpace类的私有实例变量存取,结构体无法实例化为类的私有变量,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。
两者的功能在保证原结构体功能的基础上,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
扩展原有的AddrSpace的属性:
添加属性——当下正在执行的用户文件的指针OpenFile*executable,因为我们无法一次读取所有需要的数据,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的指针。
添加属性——当下正在执行的用户文件的NoffHeader,因为NoffHeader在初始化时,将会加载到mainMemory的0号地址中,一旦程序运行之后,原0号地址中的内容必定会被用户程序重写,但因为我采用的是bitmap做物理地址与虚地址的变换,其中的变换细节要求需要在进行物理和虚拟页变换时知道code的virtualAddr,initData的virtualAddr等的数据,(详细细节见AddrSpace:
:
Translate介绍)所以为了访问方便,设置其为用户进程的一个属性。
添加virtualMem数组和p_vm指针,用来实现FIFO算法。
virtualMem存储的是按进入内存的先后顺序排列的当前占用内存空间的虚页,p_vm指针指向数组中当前将要被换出的那个位置。
(详细说明见AddrSpace:
FIFO介绍)
private:
TranslationEntry*pageTable;
//Assumelinearpagetabletranslationfornow!
unsignedintnumPages;
//Numberofpagesinthevirtualaddressspace
OpenFile*executable;
//Apointertotheexecutingfile
NoffHeadernoffH;
//TheheaderoftheOpenFileexecutable
intvirtualMem[MemPages];
//Storevirtualpagesofthepagesinthemainmemory
intp_vm;
//Thepointertonextmemorytoswapout
添加AddrSpace实现用户空间虚拟内存的函数:
voidInitPageTable();
//用于初始化AddrSpace的pageTable的基本信息
voidInitInFileAddr();
//初始化pageTable中各个entry的inFileAddr、type
voidFIFO(intnewPage);
//调用translate和swap实现先进先出的虚拟内存置换算法
voidTranslate(intaddr,unsignedint*vpn,unsignedint*offset);
//将addr对应的虚拟页页号vpn和页内偏移量offset计算出来
voidSwap(intoldPage,intnewPage);
//调用WriteBack和ReadIn
//实现将mainMemory中的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SWAP
voidReadIn(intnewPage);
//将newPage写入到mainMemory
//code和initData将通过inFileAddr从文件中读出;
//uninitData和userStack或从交换区SWAP读出,或只是将mainMemory中分配到的地址段清零
关键源代码及注释
首先,简要说明一下现在Nachos系统的虚拟存储功能的能力。
为了简便起见,规定系统默认给每个用户进程分配MemPages大小的主存,当用户的进程装入内存,进行数据初始化的时候,按照用户程序在pageTable中的存储顺序从前向后装入MemPages大小的页到内存中去。
在用户进程在运行的过程之中,如果访问内存无法找到想要的virtualAddr,那么采用FIFO策略进行不同页之间的切换。
那么接下来,按照一个用户进程在Nachos下执行的过程顺序对本次实验的程序进行解剖说明。
用户进程(pageTable)的初始化
用户程序从progtest.cc的StartProcess接口开始装载,通过传递OpenFile*executable到AddrSpacespace生成新的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))
SwapHeader(&
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
InitInFileAddr();
[3]
Print();
}
[1]在原Nachos的progtest.cc中可以看到,当使用executable完成AddrSpacespace的初始化工作后,采用了直接“deleteexecutable”的语句,将文件关闭,但是在进行WriteBack和ReadIn函数调用的过程中,仍然需要诸如“executable->
WriteAt(&
(machine->
mainMemory[pageTable[oldPage].physicalPage*PageSize]),PageSize,pageTable[oldPage].inFileAddr);
”的语句,所以注释掉progtest.cc中的delete语句,将exectuable的指针传递给AddrSpace,令AddrSpace的属性保存控制executable。
[2]调用新添加到AddrSpace类中的函数InitPageTable,这个函数主要作用是完成初始化原pageTable的基本信息,这些信息都是不需要根据此Entry的type或者是NoffHeader就可以直接确定的信息:
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].inFileAddr=-1;
//初始化inFileAddr为-1,具体值会在InitFileAddr中计算出。
if(i>
=numPages-StackPages)
pageTable[i].type=vmuserStack;
//wecanbesurethatthestack
//mustbelocatedinthelastStackPagespages,
//thusinitiatethetypeofstackpages.
//最后,将前MemPages个虚页的内容分配mainMemory的物理页,准备将其写入到mainMemory中去,写入过程有InitFileAddr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中的函数,作用是初始化各个page的inFileAddr、type,并将已经分配了物理页的page写入到mainMemory,通过调用[2][3],完成整个pageTable的初始化工作。
InitInFileAddr()
if(noffH.code.size>
0)
unsignedintnumP=divRoundUp(noffH.code.size,PageSize);
numP;
i++)
pageTable[i].inFileAddr=noffH.code.inFileAddr+i*PageSize;
pageTable[i].type=vmcode;
if(pageTable[i].valid)
ReadAt(&
mainMemory[pageTable[i].physicalPage*PageSize]),PageSize,pageTable[i].inFileAddr);
//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].inFileAddr=noffH.initData.inFileAddr+(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();
*/}
需要说明的是,在调用完InitInFileAddr函数之后,各中类型的pageTable的entry的type和inFileAddr对应关系如下:
typeinFileAddr
vmcodenoffH.code.inFileAddr+i*PageSize
vminitDatanoffH.initData.inFileAddr+(i-firstP)*PageSize
vmuninitData-1
vmuserStack-1
请注意,最后两项vmuninitData和vmuserStack中inFileAddr的值初始化时都被定义为-1,但它们都有可能在程序执行的过程中被赋予大于0的值,当inFileAddr值大于0时,表明此页已经被修改过,修改过的页被写在SWAP交换区文件中的inFileAddr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,在执行的过程中必然会出现mipscpu想要访问某个初始化时并不在mainMemory中的virtualAddr,此时,发生缺页异常后,会进入userprog/exception.cc中的ExceptionHandler函数,并且MIPSCPU想访问的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