1014 内存管理again

本次会议围绕操作系统课程中内存管理、页表、进程创建与切换等内容展开详细讲解，介绍了多种内存管理算法、页表结构与地址转换、进程创建机制及系统内存策略，并探讨了内存优化方案，内容如下：

• 内存管理算法回顾与分析

• 虚拟内存与页表

• 虚拟内存概念：宫晓利指出，操作系统为程序员构造巨大的虚拟地址空间，使用页表管理，该空间部分分配物理内存，部分未分配，形成虚拟内存。当程序访问时，才真正分配物理内存。

• 页表分级与结构：32 位系统页表项数众多，需进行分级，采用二阶的 B + 树管理，每个配置 frame 为 4K。该结构对计算机界影响深远，虽 64 位系统下有局限性，但为保证兼容性，页大小仍多为 4K。

• 页面置换算法

• FIFO 算法问题：FIFO 算法（先进先出）曾受硬件开发人员好评，但贝莱迪指出其存在缺陷，可能出现资源增加但程序运行变慢的情况。

• OPT 算法：OPT 算法（最优置换算法）由贝莱迪提出，在可预测未来的情况下能得到最优解，但实际难以实现。

• LRU 与 LFU 算法局限：LRU（最近最少使用）和 LFU（最不经常使用）算法可减少 refault 数量，但实现复杂度高，对硬件要求大。

• 时钟算法及改进：时钟算法通过周期性扫描页表项的 access bit 和 dirty bit 来选择置换页面。初级版本简单粗暴，2020 年前后改进为 MG LRU（Multi generation LRU），通过 aging 指针记录页面衰老程度，提高预测准确性。

• 多进程内存分配算法

• 工作集算法：工作集描述进程在一段时间内访问的页面集合，工作集算法根据页面访问时间决定是否置换，以实现内存动态分配，但在实际中难以实现。

• 缺页率算法：缺页率算法通过观察系统缺页次数推断内存分配情况，在缺页时顺便清理长时间未访问的页面，避免无意义的内存扫描。该算法在 2022 年的 Osplos 顶会论文中被提及，用于判定系统内存压力。

• 页表与地址空间详解

• 页表记录内容

• 物理地址记录：宫晓利强调，页表是给 MMU 使用的，因此记录的是物理地址。CPU 使用虚拟地址，由 MMU 将其翻译成物理地址。

• 地址转换过程：操作系统构建页表时使用虚拟地址，需通过特定公式将其转换为物理地址。在系统启动时，操作系统获取物理内存信息，构建页表后开始使用虚拟地址。

• 系统中的页表数量与作用

• 物理内存管理表：操作系统创建一个链表或其他数据结构管理所有可分配的物理内存，如 minicore 中的配置 list 和 Linux 中的 Folio。

• 进程页表：每个进程有独立的虚拟地址空间，对应一个页表，用于完成虚拟地址到物理地址的翻译。

• 缺页处理表：每个进程还有一个 Maps 表，记录虚拟地址空间的布局，辅助操作系统处理缺页中断。

• 进程间的可见性与切换

• 进程可见性：两个进程是否能看见对方取决于它们的页表是否指向同一个叶节点。

• 进程切换：进程切换时，不仅要更换上下文和寄存器，还要更换页表。通过修改 MMU 的 SATP 寄存器指向新的页表树根，实现地址空间的切换。

• 进程创建与切换机制

• 进程创建方式

• fork 调用：Linux 系统中，通过 fork 调用以当前进程为副本创建新进程。新进程与原进程数据、指令和上下文相同，但 fork 函数返回值不同，用于区分两个进程。

• exec 调用：exec 调用用于让当前进程执行已编译好的二进制程序，重新构造进程的虚拟地址空间。

• 进程复制机制

• 半深半浅拷贝：操作系统在创建新进程时，采用半深半浅拷贝，只复制分支节点，页节点共享，以减少不必要的数据复制。

• 写实复制：为避免共享页节点带来的问题，采用写实复制机制，将页面设为只读，当发生写操作时再复制页面。

• 进程创建细节分析

• 页表复制问题：对于多级页表，中间分支节点也可采用写时复制，避免无脑复制。2022 年 user sys 顶会文章对此进行了探讨。

• 资源浪费问题：若 fork 后立即执行 exec，完整复制页表会导致资源浪费，因此选择半深半浅拷贝。

• 系统内存策略与实现细节

• Linux 系统水位线机制

• 水位线作用：Linux 系统通过水位线机制保证系统有足够的空闲页，避免频繁的磁盘读写操作。

• 内存回收过程：当空闲页数量低于低水位线时，启动线程回收长时间未访问的页面；若水位线继续下降到 min 位置，可能导致系统死机。

• 内存回收与进程退出处理

• OOM killer 机制：当内存回收机制无法正常工作时，OOM killer 机制会杀死占用内存多的进程，释放资源。

• 进程退出回收：进程退出时，由父进程调用 wait 函数回收子进程的资源。若无人回收，进程会变成僵尸进程或孤儿进程，系统中有僵尸进程收集器负责回收其资源。

• 进程上下文切换细节

• TLB 处理：进程上下文切换时，TLB 应清空，因为页表已更换。

• CACHE 处理：进程上下文切换时，CACHE 清空与否存在争议。由于 CACHE 命中率高，直接丢弃可惜，但目前暂无更好的处理方法。

• 多进程与内存压力问题

• 多进程对 CPU 利用率的影响

• 前期提升：在进程数量较少时，多进程并发执行可提高 CPU 利用率。

• 后期抖动：当进程数量过多，每个进程需要的内存增加，会频繁触发缺页异常，导致 CPU 利用率下降，出现抖动现象。

• 内存压力解决方案

• 数据上传网络：在网速足够快的情况下，可将内存数据上传到网络，减少对本地磁盘的依赖。

• zram 压缩技术：使用 zram 技术将不活跃的内存压缩存储，节省内存空间。但该技术在解压缩时可能存在问题，需要合适的算法支持。

• 鸿蒙系统改进：鸿蒙系统在多核处理器上采用并行压缩算法，提高 swap 速度；修改内存分配接口，根据内存重要性进行回收，提升内存使用率。

• 段机制与页机制对比

• 段机制概念与优势

• 段机制设想：段机制将程序区域切分成片段，按片加载到内存中，通过段控制器（SMU）进行寻址，类似于页机制，但每个段长度可灵活设置。

• 优势分析：段机制可将相似属性的程序和数据放在一起，提高执行效率，曾受到硬件设计者和软件人员的关注。

• 段机制未广泛应用原因

• 硬件支持不足：除 80386 系列处理器外，其他处理器大多只支持页机制，缺乏对段机制的硬件支持。

• 系统复杂度增加：Linux 等开源操作系统为实现跨平台兼容性，选择只使用页机制，避免增加系统复杂度。