1. 自分でOSを作っている人の
ための、仮想記憶構築法
At Geekbar
2011/6/13
@magoroku15

2. 今日のお話
 対象
 自分でOSを作っている人 AND
 仮想記憶のついて理解はしている AND
 ＯＳの教科書を読んでみたけどよくわからない AND
 具体的な実装を見てみたい 人
 内容
 仮想記憶の構成について
 空間構成 単一空間、多重空間
 4.3ＢＳＤを例にした実装の紹介

3. 空間の構成
 単一空間構成
 １枚の空間を仮想化する
 １枚の空間に複数のプロセスが同居
 メモリの拡張が主な目的利用
 多重空間構成
 複数の空間を仮想化する
 １枚の空間に１個のプロセスが存在
 システムの保護が主な利用目的

4. 空間の構成
多重空間
単一空間

5. 多重仮想空間の作り方
アプリ
仮想-物理 空間変換表
OS
物理メモリ管理構造

6. アドレス変換 1of3
アドレス変換表  アドレスの変換単位
はページ
 大きさ数Kbyte
 aligned
 仮想アドレスのページ
番号を実アドレスのペ
ージ番号に置換
 アドレスの変換表を
OSが用意して、CPU（
MMU）に通知

7. アドレス変換 2of3
 アドレス３２bit、ページサイズ４Kbyte場合
 4Kbyteは0x1000
 16進で３桁は変換表に含まない
ページ番号 ページ内オフセット

8. アドレス変換 3of3
仮想アドレス アドレス変換表 実アドレス
仮ページ番号 ページ内 実ページ番号 ページ内
オフセット オフセット
ページ
番号
実ページ番号

9. 変換機構の実例
 変換表を２段に
 ページ 4Kbyte
セグメント番号 ページ番号 ページ内
オフセット  セグメント 1Mbyte
仮ページ番号
 変換キャッシュ
セグメントテーブル
ページテーブル
仮ページ番号
変換キャッシュ
仮ページ番号 実ページ番号

10. ページング
 一般的な運用では
 仮想空間量の総量 ＞ 物理メモリ
 物理メモリの奪い合い
 メモリ参照に局所性がある状況では
 ゆっくり奪い合う→そこそこ動く
 メモリ参照に局所性がない状況では
 はげしく奪い合う→動かない
 局所的な参照の検出が重要
 どうやって

11. Least Recently Used (LRU)
 最近使われていないメモリは、今後も使わ
れない -たぶんね ;-)
 メモリの参照頻度を記録して、今後使われ
ないメモリを予想する
 仮想記憶をサポートする最近のＣＰＵは、
参照の有無を変換表に(１bit)記録する
 ＯＳが、この情報を定期的にクリアしながら記
録する

12. ソースを読む
 4.3BSD
 1986年にカリフォルニア大学バークレー校に
よって配布された近代UNIX
 http://www.tamacom.com/tour/kernel/bsd/
 sys/vm_page.c
 ページング処理が記述

13. 構造：cmap
 h/cmap.h
27 struct cmap
28 {
29 unsigned short c_next, /* index of next free list entry */
30 c_prev, /* index of previous free list entry */
31 c_hlink; /* hash link for <blkno,mdev> */
32 unsigned short c_ndx; /* index of owner proc or text */
33 unsigned int c_page:21, /* virtual page number in segment */
34 c_lock:1, /* locked for raw i/o or pagein */
35 c_want:1, /* wanted */
36 c_intrans:1, /* intransit bit */
37 c_free:1, /* on the free list */
38 c_gone:1, /* associated page has been released */
39 c_type:2, /* type CSYS or CTEXT or CSTACK or CDATA */
40 :4, /* to longword boundary */
41 c_blkno:24, /* disk block this is a copy of */
42 c_mdev:8; /* which mounted dev this is from */
43 };

14. 構造：pte
 vax/pte.h
20 struct pte
21 {
22 unsigned int pg_pfnum:21, /* core page frame number or 0 */
23 :2,
24 pg_vreadm:1, /* modified since vread (or with _m) */
25 pg_swapm:1, /* have to write back to swap */
26 pg_fod:1, /* is fill on demand (=0) */
27 pg_m:1, /* hardware maintained modified bit */
28 pg_prot:4, /* access control */
29 pg_v:1; /* valid bit */
30 };

15. pageout()
 sys/vm_page.c
696 loop:
711 sleep((caddr_t)&proc[2], PSWP+1);
712 (void) spl0();
713 count = 0;
714 pushes = 0;
715 while (nscan < desscan && freemem < lotsfree) {
720 if (checkpage(fronthand, FRONT))
721 count = 0;
722 if (checkpage(backhand, BACK))
723 count = 0;
724 cnt.v_scan++;
725 nscan++;
:
:
741 }
742 goto loop;
743 }
744

16. checkpage
 sys/vm_page.c
768 top: 802 break;
774 c = &cmap[hand]; 803 }
775 if (c->c_lock || c->c_free) :
776 return (0); 813 if (pte->pg_v) {
777 switch (c->c_type) { 814 if (whichhand == BACK)
779 case CSYS: 815 return(0);
780 return (0); 816 pte->pg_v = 0;
817 if (anycl(pte, pg_m))
789 case CDATA: 818 pte->pg_m = 1;
790 case CSTACK: 819 distcl(pte);
791 rp = &proc[c->c_ndx]; :
792 while (rp->p_flag & SNOVM) 825 }
793 rp = rp->p_xlink;
794 xp = rp->p_textp;
795 if (c->c_type == CDATA) {
796 v = dptov(rp, c->c_page);
797 pte = dptopte(rp, c->c_page);
:

17. こんなかんじ
FRONTハンドがスキャンし
た後にBACKがスキャン。参
照されていなければ参照さ
れていない
c_pageとc_ndxを
使ってpteを求め
FRONT て、無効化して
swapに書き出す
一定の距離
仮想-物理 空間変換表
BACK
c_page:
c_ndx;
cmap 物理メモリ管理構造 proc プロセス管理構造

18. まとめ
 pageout処理に絞って処理を俯瞰
 他のOSもほぼ同じ
 実メモリ(page)の管理構造
 利用状況を検出
 実メモリから、アドレス変換エントリを算出
 変換を無効化してswapに追い出す
 どこに追い出したかを記録

19.  これで、仮想記憶の拡張も書けますね
 そういえば
 UNIX V7に仮想記憶を書き足した学生がいま
したね
 minixっていうUNIXもどきの学習用のＯＳに仮
想記憶を書き足した学生もいましたね