[PintOS] Virtual Memory - 들어가기(Project 3, TIL)

Virtual Memory는 왜 필요할까?

But, what is Virtual Memory?(youtube)

가상 메모리가 없는 경우를 상상해 보자. 음악 재생 플레이어와 게임 프로세스에서 같은 물리적 메모리 주소에 각각 재생 시간과 캐릭터의 체력 정보가 담기면 어떻게 될까? 물리 주소를 참고할 때마다 서로의 프로세스에서 사용하던 정보를 읽어오기에 문제가 발생할 것이다. 의도치 않게 캐릭터의 체력이 점점 증가한다던가, 캐릭터의 체력이 닳을 때 음악 재생 시간이 뒤로 이동한다던가 🙄.

But, what is Virtual Memory?(youtube)

Virtual Memory를 도입해 위 문제를 해결할 수 있다. 각 프로세스는 Virtual Memory 주소를 가리키기에 프로세스별 같은 가상 주소를 가리킨다 하더라도 실제 물리 Memory(RAM)에 매핑되어 가리키는 곳은 다르게 된다! 이는 data security 측면에서의 Virtual Memory 장점이다.

But, what is Virtual Memory?(youtube)

또한, RAM 공간이 충분하지 않을 때 여러 프로세스 동작이 필요한 경우 유용하다. 가장 왼쪽 이미지와 같이 RAM에 Mapping 되지 못한 주소의 경우 DISK를 가리키고, 프로세스에서 매핑하고자 할 때, RAM에 swap 하여 사용 가능해진다. 멀티태스킹과 관련하여 또 한 가지의 장점은 Memory Fragmentation 문제를 해결할 수 있다는 것이다. 중간 이미지처럼 RAM에 게임 Process가 load 되어 위아래로 각각 1GB 저장공간만 남은 상태에서 사진 에디팅 Process를 실행하고자 하는 경우를 생각해 보면, 가상메모리가 없다면 load 할 수 없는 것을 load할 수 있게 된 것을 알 수 있다. 마지막으로 각 Process에서 공통적으로 사용하는 library는 같은 물리 Memory 주소에 위치시켜 공유할 수 있다는 것이다. 만약 Process별로 따로 모든 정보를 물리 Memory에 위치시킨다면 공통되는 정보로 차지하는 공간도 상당할 것인데, 이러한 비효율을 줄일 수 있다.(이미지 출처: 참고 영상)

이렇게 기똥차고 유용한 Virtual Memory를 구현한다.

들어가기 전에

Memory Terminology

Project3에서는 용어에 관한 설명을 자세히 한다. 생소한 개념이 있으므로 숙지하고 넘어가야 한다.

• Pages(페이지, a.k.a 가상 페이지)
  • 4,096 바이트(페이지 크기)의 길이(OS별 상이하나 Pintos에서는 4kb)
  • 가상 메모리의 연속된 영역
  • 반드시 정렬 정책에 따라 정렬되어 있어야 함
  • 64비트 가상 주소의 가장 마지막 12비트는 '오프셋'
• Frames(프레임, a.k.a 물리 프레임, 페이지 프레임)
  
  • 페이지와 길이 동일해야 함(정렬 정책 따름)
  • 물리 메모리 상의 연속적인 영역
  • 동일하게 마지막 12비트는 '오프셋'

• Page Tables(페이지 테이블)
  • 페이지(가장 주소) ➡️ 프레임(물리 주소)
  • CPU의 MMU(정확히 Page Table Base Register, PTBR)에서 주소 변환을 위해 사용되는 데이터 구조
  • 페이지 테이블은 페이지 번호를 프레임 번호로 바꿈

주소 변환

But, what is Virtual Memory?(youtube), ⚠️ 32비트 기준 설명

가상 메모리 크기는 64바이트, 페이지의 크기는 16바이트로 가정한다. 이때, 가상 주소가 10진수로 21이라고 가정하면..

- 가상 주소 : 010101(2진수)
- VPN(상위 2비트) : 01 ▶️ 1(10진수)
- 오프셋(하위 4비트) : 0101

위와 같이 계산된다.

AS-IS

Project2까지의 가상주소 mapping

TO-BE

page fault 발생 후 DISK에 있는 정보를 read 하여 새로운 page를 install!

 

구현

Memory Manangement

- page structure and operations

- Implement Supplemental Page Table

🔨 디버깅

vm_do_claim_page()

VA에 해당하는 페이지와 더불어 프레임을 할당하는 함수이다. 이 함수를 구현하면서 is_writable() 함수로 writable 여부를 확인할 필요가 있었는데, writable을 보고자 하는 대상을 명확히 생각하지 않고, 코드를 작성하다보니 어처구니 없는 실수를 하게 됐다. 요약하자면, page를 set하고자 하는 곳의 'page의 writable'을 확인해야 하는데, 현재 thread의 pml4가 writable한지를 확인했다.. 디버깅 후에야 허무했지만, 에러가 발생했을 때는 어떤 부분이 잘못 들어가서 발생하는 에러인지 쉽게 알 수가 없었다.

static bool
vm_do_claim_page(struct page *page) {  // va 페이지를만들고 프레임에 할당한 페이지
    struct frame *frame = vm_get_frame();

    /* Set links */
    frame->page = page;
    page->frame = frame;

    struct thread *current = thread_current();
    // bool writable = is_writable(current->pml4); <- 기존
    // pml4_set_page(current->pml4, page->va, frame->kva, writable); <- 기존, 아래가 수정
    pml4_set_page(current->pml4, page->va, frame->kva, page->writable);

    return swap_in(page, frame->kva);
}

💡 해결 경위, Lessoned learn 정리예정