[CSAPP] 9.8 Memory Mapping (메모리 맵핑)

9.8 Memory Mapping

Linux는 disk에 있는 어떠한 object를 매핑함으로써 virtual memory 영역을 초기화 할 수 있는데, 이러한 기법을 memory mapping이라고 한다. 매핑되는 obejct로는 다음 두가지가 있다.

1. Regular file(in the Linux file system)
   • virtual memory 영역은 executable object file과 같은, 연속적인 section의 regular disk file에 mapping 될 수 있다.
     • 각 file section들은 page크기로 나눠지고
     • 각 나눠진 조각들은 virtual mameory를 이루는 virtual page들 각각의 초기 값이 된다.
   • demand paging으로 인해, 이 virtual page들은 CPU가 처음 ‘touch’ 하기 전까진 실제로 physical memory로 swap 되지 않는다.
   • 만약 매핑되는 영역의 크기가 각 file section의 크기보다 크다면, 나머지 공간은 0으로 채워진다.
   <aside> 💡 Demand Paging이란?
2. Anonymous file
   • virtual memory 영역은 또한 kernel에 의해 생성된 anonymous file에도 mapping될 수 있다.
     • 이 anonymous file은 0으로 꽉 채워져 있는 file을 말한다.
   • 처음 CPU가 해당 영역에 있는 virtual page를 ‘touch’ → kernel은 physical memory에서 적절한 victim page를 찾아냄 → 이 victim이 swap out하고, dirty bit라면 victim page를 0으로 채움 → 이후 page table을 현재 CPU가 touch한 page로 update함
   • 눈여겨 봐야할 점은, 어떠한 data도 disk와 memory 사이에서 전송이 일어나지 않은 것이다.
   • 이러한 이유로, anonymous file에 mapping된 영역 안의 page들은 demand-zero page 라고 부르기도 한다.

두 case들은, 한번 virtual page가 초기화 되면, kernel이 유지하고 있는 swap file 사이에서 swapped 되거나 swap한다.

중요한 것은, 이러한 swap file들이 현재 실행중인 프로세스에 의해 할당된 virtual page들의 총 량을 제한한다는 것이다.

9.8.1 Shared Objects Revisited

기존 file system과 virtual memory system을 통합하여 더 간단하고 효율적으로 program과 data를 메모리에 load할 수 있게 되었다.

• 각 process가 bash program에 대한 process라면, 모두 같은 code를 실행하게 될 것이다.
• printf를 사용하는 모든 process에서는 모두 동일한 run-time 라이브러리 code들에 접근한다.

이런 중복되는 것들을 모두 각각 가지고 있다면 매우 공간적인 낭비가 심할 것이다. 이에 memory-mapping이 어떻게 이런 공유되는 object들을 control하는지를 살펴볼 것이다.

위 문제를 control 하는 매커니즘

• mapping될 수 있는 object로는 shared object와 private object가 있다.

• shared object
  • 여러 프로세스가 하나의 shared object에 매핑되고 있을 때, 하나의 process가 write를 수행한다면?
  • 전부 visible하다.(모든 process에 반영된다)
  • 또한 disk에도 이 write가 반영된다.

• private object
  • 하나의 write는 다른 process에선 not visible하다.
  • 또한 disk에도 반영이 되지 않는다.
• 이렇게 각 object들에 mapping되는 virtual memory 영역을 각각 shared area , private area 라고 한다.

shared object

• 각 object에 대한 filename은 고유하므로, kernel이 process1에서 이미 object와 mapping되어 있는 것을 확인할 수 있다.
• 따라서 process2에게 적절한 physical page들을 가리키게 할 수 있다.
• 중요한 점
  • physical memory에 오직 하나의 shared object의 복사본만 저장된다.

private object

 

 

• private object도 마찬가지로 처음 시작은 shared object와 같다. 즉, 하나의 private object의 복사본만 physical memory에 저장된다.
• 이 때, private object를 매핑하고 있는 각 process들에서, private area에 해당하는 PTE들은 모두 read-only 로 flag 처리 된다.
• 또한 area struct도 private copy-on-write 로 flag 처리 된다.
  • TODO: area struct가 뭔가? → 9.7장 확인할 것
• 이에 따라 process가 각각의 private area에 쓰기를 시도하지만 않는다면, physical memory에서는 복사본 하나로 계속 유지된다.
• 만약 이러한 private area에 해당하는 page에 write를 시도하게 된다면?
  • protection fault가 발생한다. → fault handler에게 control이 넘어가게 된다.
  • fault handler는 private copy-on-write area에 있는 page에 write를 시도한 것에 의해 발생되었다는 것을 알아차리고,
  • physical memory에 새로운 복사본을 만들어서, page table entry를 update함으로서 새로운 복사본을 가리키게 하도록 한다.
  • 이 page에 경우, write 권한을 복구시켜준다.
  • fault handler가 반환되면, CPU는 다시 write를 실행시키고, 이에 새로 생성된 page에 대해 write가 수행된다.
• 이러한 매커니즘을 private copy-on-write 매커니즘이라고 한다.

9.8.2 The fork Function Revisited

fork 함수는 독립적인 virtual addres space와 함께 새로운 process를 생성한다. 어떻게 이런 동작을 수행하는지를 memory mapping idea로 설명해보자.

1. fork 함수가 현재 process에서 호출된다.
2. kernel은 새로운 process를 위한 다양한 data structure(page table, open file table 등등)들을 생성한다.
3. 그리고 고유한 PID를 할당한다.
4. 새로운 process의 virtual meory를 생성하기 위해
   1. 현재 process의 mm_struct 와 area struct, 그리고 page table들의 똑같은 복사본을 생성한다.
   2. 그리고 두 process모두에게서 이 page들을 read-only 로 flag처리한다.
   3. 또한 마찬가지로 각 area struct도 private copy-on-write로 flag처리한다.
5. fork가 반환되면, 새로운 process는 virtual memory의 완전한 복사본을 갖게 된다.
6. 이후 여러번의 write가 수행된다면, copy-on-write 매커니즘이 새로운 page를 생성하고, 이에 따라 private address space의 추상화를 보존할 수 있도록 한다.

9.8.3 The execve Function Revisited

memory mapping은 program들을 memory로 loading하는데에도 중요한 역할을 한다. 이제 execve가 어떻게 program을 load하고 실행하는지를 살펴보자.

execve("a.out", NULL, NULL);

1. executable object file인 “a.out” file을 위와 같이 실행시키려 한다.
2. 이에 a.out program으로 현재 프로그램이 교체된다
3. 이 때 다음의 step을 따른다.
   1. 현재 user area들을 삭제한다.(user 영역에 있는 area struct들을 전부 지운다.)
   2. 새로운 area struct들을 생성한다.(code, data, bss, stack영역)
      1. 이들은 전부 private copy-on-write이다.
      2. code와 data 영역: a.out file에서의 .text와 .data 영역에 mapping되고
      3. bss영역 : demand-zero(anonymous file에 매핑된 것)
      4. stack & heap 영역 : 마찬가지로 demand-zero이다.
   3. shared area들을 mapping시킨다.
      1. 만약 a.out program이 shared object에 link 되어있다면, 이 object들은 동적으로 이 program에 link된다.
      2. 이후 user의 virtual address space의 shared 구역에 mapping된다.
   4. PC를 설정한다.
      1. 현재 process의 context에서의 program counter를 code 영역의 entry point를 가리키도록 세팅한다.
4. 이후에 이 process가 스케쥴 되면, 해당 설정된 entry point에서부터 실행이 시작될 것이다.
5. Linux는 code와 data영역의 page들을 필요할 때마다 swap할 것이다.

9.8.4 User-Level Memory Mapping with the mmap Function

Linux process들은 virtual memory의 새로운 영역을 생성하고, 해당 영역들에 object들을 mapping하도록 하는 mmap 함수를 사용할 수 있다.

• mmap 인자
  • start : kernel한테 새 virtual memory 영역을 생성할 때, 이곳에서 시작하는 것을 더 선호한다고 요청할 수 있다. 하지만 단지 hint일 뿐, 반드시 여기서 시작한다고 보장할 순 없다. (보통 NULL을 집어넣는다고 함)
  • fd : fd에 해당하는 file에 대한 object에서의 연속적인 chunk를 mapping하도록 할 수 있다.
  • length : 이 chunk는 length만큼의 byte 크기를 가진다.
  • offset : 또한 이 chunk가 fd로 명시한 file에서의 offset에서부터 시작한다는 것을 명시할 수 있다.
  • prot : 새로 mapping된 virtual memory 영역의 접근 권한을 설명하는 bit이다.
    • PROT_EXEC : 이 영역에 있는 page들은 CPU에 의해 실행될 수 있는 instruction들로 구성되어져 있다.
    • PROT_READ : read할 수 있다.
    • PROT_WRITE : 이 영역의 page에 write할 수 있다.
    • PROT_NONE : 이 영역에 있는 page에는 접근할 수 없다.
  • flags : mapping된 object의 type을 설명하는 bit이다.
    • MAP_ANON flag : object가 anonymous이다. → virtual page들은 demand-zero이다.
    • MAP_PRIVATE : private copy-on-write object임을 나타낸다.
    • MAP_SHARED : shared object임을 나타낸다.
• munmap 함수
  • start 주소로부터 시작하는 영역을 legnth byte만큼 삭제한다.
  • 만약 이후에 이 삭제된 영역을 참조한다면 이는 segmentation fault를 야기한다.