上交 os lec4 内存管理

物理内存

• 以前的物理内存是可插拔的(功耗和性能会有影响)，这些内存条一般是那些被CPU访问的内存现在的倾向是集成CPU和内存到一个芯片

早期计算机系统

• 早期计算机系统是单一定制的，不是通用的

多重编程时代

• 讲物理内存分用户使用，隔离性差

IBM 360内存隔离采用Protection Key

• 每一个进程一个key，且每一个2KB的内存块一个key，也就是每一个进程一个内存块但是存在一些缺点

使用物理地址的缺点

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虚拟内存抽象

• 虚拟内存是CPU提供的功能，OS只能够使能/配置虚拟内存机制所有的软件使用虚拟地址

虚拟地址

• os不会去翻译虚拟地址，虽然xv6种使用了软件mmu，但一般还是用硬件mmu

虚拟地址翻译过程

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过时的分段机制

• 

分页机制

• 分页机制解决了分段机制粒度粗的问题，缓解了内存碎片

页表

• 虚拟页号是index，也就是页表项地址

多级页表

• 多级页表允许页表中出现空洞

AARCH64的4级页表

• 在x86中页表基地址寄存器是CR3

64位虚拟地址翻译

• 在AARCH64中有两个页表基址寄存器

页表使能

• 在CPU上电的时候默认是物理寻址，之后系统软件配置控制寄存器，使能页表，进入虚拟寻址模式。x86中是CR4寄存器第31位置1，使能页表

页表页

• 页表页中存有页表项

AARCCH64页表项

• PXN位可以使得内核不去执行一些用户态代码 当存在bug的时候，内核会去执行用户态代码(比如黑客攻击)00适合内核数据段，01适合应用数据段，10是内核代码段，11是应用代码段
• 第10位适合设置为0时，用来追踪内存访问情况第8/9位适合多核，多设备共享；第4-2位，可以用来表示该内存块是否是走cache访问

arm中的cache lockdown

• cache lockdown寄存器可以用来配置内存块不被驱逐

多级页表tradeoff

• 用时间换空间，TLB解决这个问题TLB在CPU内部

TLB刷新

• 进程切换时，需要刷新TLBx86与AARCH64都可以在系统调用时不用刷新TLB

如何降低TLB刷新的开销

• x86中CR3寄存器的低12位存储PCID身份标签在使用PCID之后，KPTI更加重要x86会使用KPTI来放置Meltdown攻击，那么用户态与内核态页表就是两个了，那么这个时候PCID就尤为关键了，因为系统调用会刷新TLB

TLB和多核

• 在多核的情况下，页表的改变会使得其他的CPU的TLB刷新
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TLB结构

• 分级TLB

全局TLB

• nG位置位表示将是所有进程共享的虚/实地址映射

物理内存的超售(Over-commit)和按需分配

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• 磁盘的swap页

缺页异常

• 异常号是#PF，错误地址在CR2
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按需分配中的权衡

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• 页替换策略

Thrashing Problem

• 如果进程过多，那么可能会出现

工作集模型

• 也就是一个进程过去一段时间内会访问的内存页集合，工作集模型假定其之后x时间内也会访问这些页进程工作集要么都不在，要么都在内存中，all-or-nothing
• 固定间隔检查所有页表项计算得到工作集

21世纪看换页

• 物理内存已经很大了

物理内存

• 物理内存的层级
• 物理内存的碎片
• 物理内存管理的评价指标
• 物理内存管理的buddy system伙伴系统中存在很多链表每一个页的大小是4k，那么分配给15k的内存，在2^{2处没有，那么就可以选择一个32K内存分为两个16K内存，其中一个放入2}2链表，其中一个分配给15K内存的请求
• 伙伴系统可以快速找到伙伴块

建立在伙伴系统的分配器

• os使用buddy system管理页，SLAB分配器家族SLAB分配小内存对象

linux中的SLUB

• os频繁分配的对象大小是相对固定的也就是将2^12大小的页划分为更小的页，进一步划分块，减少内部碎片
• 划分多个资源池，常采用best fit定位资源池
• SLUB存在三个指针current，partial,full,current指向的slab满了，就会去从partial中随便选一个

物理内存安全问题，Rowhammer攻击

• 攻击者频繁访问某一行，会使得其相邻行某些位发生翻转？这会发生提权的错误
• 通过添加guard page防御

性能考虑

• cache coloring解决cache miss

共享内存

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• copy-on-write
• memory deduplicationlinux kernel same-page merging会将内存相似的页合并
• 内存去重存在性能问题还有安全问题，比如黑客可以猜密码

内存压缩

• 比如windows10会将一些不太常用的数据压缩(还在内存中)，使用时才解压

大页

• 用来标记一个页表中的大小是一个比4k更大的页大页可以减少TLB的使用