6.1810 / 6.1810 · 第 10 课 · rtm

应用虚拟内存

操作系统内核使用虚拟内存实现按需分页、共享内存等机制。Appel & Li (1991) 的核心论点：用户级应用同样能从虚拟内存原语中获益——并发 GC、检查点、分布式共享内存等都可通过缺页异常驱动。

应用级虚拟内存原语

论文提出的应用级 VM 原语：

原语	作用
Trap	在用户态处理缺页异常
Prot1	降低一个页面的可访问性
ProtN	降低 N 个页面的可访问性
Unprot	提升一个页面的可访问性
Dirty	返回自上次调用以来被修改的页面列表
Map2	将同一物理页映射到两个不同 VA，使用不同保护级别

xv6 不支持任何这些原本。好的操作系统应该支持它们。今天的 Unix 呢？

Unix 今天的 VM 接口

mmap() —— 映射内存到地址空间

// 映射文件
mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, offset);

// 匿名内存（优于 sbrk）
mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

mprotect() —— 改变映射的保护级别

mprotect(addr, len, PROT_READ);     // 只读
mprotect(addr, len, PROT_NONE);    // 不可访问，访问将触发异常

munmap() —— 移除映射

munmap(addr, len);

sigaction() —— 注册信号处理器

act.sa_sigaction = handle_sigsegv;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigemptyset(&act.sa_mask);
sigaction(SIGSEGV, &act, NULL);

Linux 额外 VM 调用

madvise(), mincore(), mremap(), msync(), mlock(), mbind(), shmat() 等。

用 Unix 接口实现论文原语

原语	Unix 实现	是否完全支持
Trap	sigaction + SIGSEGV	是
Prot1	mprotect()	是
ProtN	mprotect()	是
Unprot	mprotect()	是
Dirty	无直接支持，但有 workaround	部分
Map2	不直接，但 shm_open+mmap 可模拟	部分

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VM 实现基础

VMA（虚拟内存区域）

地址空间由 VMA 和页表组成。每个 VMA 是一段连续的虚拟地址范围，具有相同的权限，由同一对象（文件或匿名内存）支持。VMA 帮助内核决定如何处理缺页。

Trap/sigaction 实现流程

1. PTE（或 TLB 条目）标记为"受保护"
2. CPU 保存用户态，跳入内核
3. 内核询问 VM 系统如何处理（从磁盘换入？核心转储？）
4. VM 系统查看 VMA
5. 生成信号——upcall 进入用户进程
6. 运行用户处理器（必须调用 UNPROT 避免重复缺页）
7. 用户处理器返回内核
8. 内核返回用户程序

演示：单页支持的大平方根表

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用例 1：并发 GC（Baker 实时算法）

概述

• Mutator（应用）：分配内存并计算，无需调用 free
• Collector（回收器）：并发地找出不再可达的内存

传统实现需要语言/编译器支持（插桩 load/store），而用户级 VM 可以避免插桩，更快。

Baker 算法（see baker.c）

堆分为 from-space 和 to-space。to-space 进一步分为 scanned、unscanned 和 new：

1. GC 开始：所有对象在 from-space
2. 将根（寄存器和栈）复制到 to-space，from-space 中留下转发指针
3. 每次分配或解引用 from-space 指针时，复制对象到 to-space
4. 扫描完成后，from-space 全部空闲

为什么吸引人？

• alloc 便宜：压缩式，无需空闲列表
• 增量式：每次分配扫描/复制一点（"实时"特性）

代价

• 每次解引用需检查指针是否在 from-space（test + branch）
• 回收器与程序线程并发运行困难：竞态条件，可能产生同一对象的两个副本

解决方案：让应用使用 VM

复制根之后，取消映射 to-space 的 unscanned 部分。当线程访问 unscanned 区域时触发缺页：

• 处理器扫描该页的所有对象，检查引用，然后 UNPROT
• 每页最多一次缺页，无需编译器改动

现状：很少有系统使用 Baker 算法（它复制所有存活对象），但 VM 思想很酷。

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用例 2：虚拟机/容器迁移

将进程从机器 M1 迁移到 M2（如升级 M1）。朴素方案：检查点 P → 复制到 M2 → 重启 P。问题是复制内存可能很慢。

用户级 VM 方案

1. 停止 M1 上的 P
2. 检查点 P（除内存映像外）
3. 在 M2 启动检查点，但取消映射其内存映像
4. 后台开始从 M1 获取内存映像
5. 重启 P 后，访问未获取的内存时触发缺页 → 从 M1 获取该页

变体：热迁移

P 继续在 M1 运行，同时复制检查点（含内存）到 M2。跟踪 P 修改的页面，取消映射内存，缺页时记录该页需发送。

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1991 到 2022 的变化

• VM API 和实现持续演进（OSDI 2020 等继续研究）
• 新增 mlock, madvise, mremap, mincore 等更多控制
• 地址空间切换变快（带标签的 TLB）
• 扩展地址空间不再重要（2^52 字节虚拟地址空间）

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测验

要点总结

延伸阅读

• Baker's Real-time GC Paper
• Linux mmap(2) manual
• sqrts.c —— 单页平方根表演示代码
• baker.c —— Toy Baker GC 实现