[os] memory management

1) 아래 프로그램의 memory map을 그려라. code, data, heap, stack segment의 시작 주소는 무엇이며, 각 세그먼트는 몇 페이지를 차지하고, 주요 기능의 주소, 전역/지역 변수의 주소는 무엇인가?

 

week13/ex1.cpp

pid = 4697

다음은 logical  주소를 의미하므로 실제 메모리에 저장되는 위치를 알기 위해서는 Process Table을 열어 Physical 주소를 확인해야 한다.

result :

Code	08048000-08049000	&main
Read-Only Data	08049000-0804a000
Data	0804a000-0804b000	&x, &y
Heap	0804b000-08075000, b7e22000-b7e23000	&y[9999], pk
C Library Code	b7e23000-b7f4d000
C Library Data	b7f4d000-b7f50000
Library Loader	b7f58000-b7f74000
Stack	bfc5f000-bfc74000	&k, &pk

 

main함수는 code 영역에 존재하고, x와 y[10000]은 전역변수로 선언해주어 Data 영역에 위치한 것을 알 수 있다. 매우 큰 전역변수와 동적할당된 메모리는 heap영역, 지역변수는 stack 영역에 할당된다.

 

2) 다음 프로그램의 memory map을 표시해라.

week13/ex2.c

cat /proc/pid/maps

Code	8048-8049	&main
Data	804a-804b	&A
Heap	804b-8050	&A[4][1024]
Stack	bf949-bf95e	&i, &j

기본적으로 Page의 크기는 4KB이기 때문에 "/proc/pid/maps"에서 0x1000당 한 Page라고 볼 수 있다. 그렇기 때문에 시작과 끝 메모리 주소에서 뒤 3자리를 제하면 Page 번호를 구할 수 있다. 프로그램은 Code(main) -> Data(전역변수) -> Heap(전역변수) -> Stack(지역변수) 순으로 접근한다.

 

3) 2번 프로그램에서 몇 페이지의 결함이 발생하나 ? 처음 시스템엔 현재 프로세스의 페이지가 메모리에 존재하지 않는다.

최초로 main 함수를 실행하기 위해 Code 영역의 Page를 불러올 것이다(1번). 그 다음 전역변수 &A가 위치한 Data(1번)와 Heap의 804a부터 804f(5번)까지의 6 Page를 불러올 것이다 프로그램이 Stack에 접근하면서는 bfc6f Page(i,j 저장 위치/ 1번)를 읽어온다. 따라서 ex2 프로그램에 의한 Page Fault는 8번이며, printf 등의 C 라이브러리도 고려한다면 더 많은 Page Fault가 발생할 것이다.

 

 

4) page fault를 표시하는 "mm/map.c"에 sys_show_pfcnt()를 정의하여 page fault를 구하자

arch/x86/kernel/syscall_table_32.S

시스템콜 31번에 선언해주었다.

mm/mmap.c

page fault가 몇 번 발생했는지 출력하도록 코드를 작성해주었다.

 

/arch/x86/mm/fault.c

do_page_fault 함수가 호출되는 회수를 기록하는 변수를 선언하고, 선언될때마다 +1해주었다.

 

 

 

week13/ex4.c

반복문을 돌기 전 후에 syscall을 해주었다.

결과는 다음과 같다. 

720848-720843 = 5

syscall 사이의 반복문에서 총 5번의 Page Fault가 추가적으로 발생했다. 전역변수를 불러오기 위해 A[0]가 위치한 804a Page를 제외하면 A[4][1024]까지 데이터를 불러오기 위해서는 804f까지의 5번의 Page Fault가 필요하다. 따라서 프로그램의 출력 결과가 잘 나왔다.

여기에 main문을 불러오는 page fault 1번, 전역변수가 위치한 Data page fault 1번, 지역변수 i,j에 의한 page fault 1번 => 8번!

 

4-1)

 

페이지 오류가 발생한 정확한 주소를 표시할 수 있습니다. ex3.c를 만들고 arch/mm/fault.c:do_page_fault()에 다음 코드(이탤릭체)를 삽입합니다. ex3를 실행하면 커널은 ex3에 의해 생성된 페이지 장애 주소를 표시합니다. 결과를 설명합니다. 또한 hw3)에서 페이지 오류 주소를 검토하여 답변을 다시 확인합니다.

 

week13/ex4_1.c

arch/x86/mm/fault.c:do_page_fault()

./ex4_1 &

do_page_fault 함수에 현재 실행하는 프로그램 이름이 "ex4_1"이면 Page Fault 주소를 출력하도록 커널 코드를 수정했다. 프로그램이 시작되면 Code(804a) Page를 먼저 읽고, libc 등의 라이브러리가 저장된 페이지를 읽는다. 그리고 Heap 영역을 메모리에 올린다. 프로그램의 코드에 비해 많은 Page Fault가 생성된 이유는 main함수가 초기화되어 호출되기까지의 메모리 접근이 포함되었기 때문이다.

 

4-2) 2번과 같이 ex4 코드를 수정하여 반복합니다. 왜 pfcnt가 증가하는가?

week13/ex4_2.c

result

pcnt = 723887 - 723863 = 24개로 증가한다.

증가한 이유는 printf 호출에서 추가적인 Page Fault가 일어났기 때문이다.

 

5) 현재 프로세스의 vma 정보를 출력하는 시스템 호출을 하고, vma 목록을 표시하는 사용자 프로그램을 작성하여 "/proc/pid/maps"와 같은지 확인해라.

arch/x86/kernel/syscall_table_32.S

32번에 vma_list를 출력하는 시스템콜 함수를 선언해주었다.

 

mm/mmap.c

VMA List는 Linked List 형태로 구현되었기 때문에 temp = temp->vm_next로 다음 값을 지정하며 NULL이 될 때까지 이를 반복한다. vm_file 값이 NULL일 경우에는 name을 출력하지 않는다.

 "/proc/pid/maps"와 같은 결과를 보여주는 것을 확인할 수 있었다.

 

 

6) sys_show_pfcnt()를 사용하여 ex1 및 ex2에 이어 실행할 때 페이지 장애 수를 계산, 또한 각 코드의 실행 시간을 비교하고(gettime of day() 함수를 사용하여) 서로 다른 이유를 설명

 

 

week13/6_2.c

 

result

 

Program	page fault	elapsed time
ex6_1	1357266-1291727(65539)	3.776
ex6_2	1431917-1357803(74114)	4.00

 

ex6_1과 ex6_2의 차이점은 A[i][j]와 A[j][i]이다. ex02에서 더 많은 Page Fault가 발생했는데, ex01은 A에 메모리 적재된 순서대로 접근한 반면 ex02는 순서대로 접근하지 않았기(참조의 지역성을 만족하지 않았기) 때문에 LRU 알고리즘에 의해 사용하지 않은 Page를 삭제하고 메모리에서 내려간 Page를 새로 읽어오는 작업이 반복되어 더 많은 Page Fault가 일어났다.

Page Fault 과정은 발생한 회수만큼 프로그램의 성능을 저하시키므로 ex02이 ex01보다 느리게 실행을 끝마쳤다.