17.1 应用程序使用虚拟内存所需要的特性

今天的话题是用户应用程序使用的虚拟内存，它主要是受这篇1991年的论文的启发。

首先，你们已经知道了，操作系统内核以非常灵活的方式使用了虚拟内存Page Table。你们已经通过Lazy Allocation Lab，Copy on Write Lab，以及XV6中的各种内存实现了解到了这一点。而今天论文中的核心观点是，用户应用程序也应该从灵活的虚拟内存中获得收益，也就是说用户应用程序也可以使用虚拟内存。用户应用程序本身就是运行在虚拟内存之上，我们这里说的虚拟内存是指：User Mode或者应用程序想要使用与内核相同的机制，来产生Page Fault并响应Page Fault（注，详见Lec08，内核中几乎所有的虚拟内存技巧都基于Page Fault）。也就是说User Mode需要能够修改PTE的Protection位（注，Protection位是PTE中表明对当前Page的保护，对应了4.3中的Writeable和Readable位）或者Privileged level。今天的论文，通过查看6-7种不同的应用程序，来说明用户应用程序使用虚拟内存的必要性。这些应用程序包括了：

• Garbage Collector

• Data Compression Application

• Shared Virtual Memory

你可以发现这都是一些非常不同的应用程序，并且它们都依赖虚拟内存的一些特性来正常工作。所以第一个问题是，上面的应用程序需要的特性是什么？所以我们先来讨论一下需要的特性是什么？

• 首先，你需要trap来使得发生在内核中的Page Fault可以传播到用户空间，然后在用户空间的handler可以处理相应的Page Fault，之后再以正常的方式返回到内核并恢复指令的执行。这个特性是必须的，否则的话，你不能基于Page Fault做任何事情。

• 第二个特性是Prot1，它会降低了一个内存Page的accessability。accessability的意思是指内存Page的读写权限。内存Page的accessability有不同的降低方式，例如，将一个可以读写的Page变成只读的，或者将一个只读的Page变成完全没有权限。

• 除了对于每个内存Page的Prot1，还有管理多个Page的ProtN。ProtN基本上等效于调用N次Prot1，那为什么还需要有ProtN？因为单次ProtN的损耗比Prot1大不了多少，使用ProtN可以将成本分摊到N个Page，使得操作单个Page的性能损耗更少。在使用Prot1时，你需要修改PTE的bit位，并且在Prot1的结束时，需要清除TLB（注，详见4.4 Translation Lookaside Buffer），而清除TLB比较费时。如果能对所有需要修改的内存Page集中清理一次TLB，就可以将成本分摊。所以ProtN等效于修改PTE的bit位N次，再加上清除一次TLB。如果执行了N次Prot1，那就是N次修改PTE的bit位，再加上清除N次TLB，所以ProtN可以减少清除TLB的次数，进而提升性能。

• 下一个特性是Unprot，它增加了内存Page的accessability，例如将本来只读的Page变成可读可写的。

• 除此之外，还需要能够查看内存Page是否是Dirty。

• 以及map2。map2使得一个应用程序可以将一个特定的内存地址空间映射两次，并且这两次映射拥有不同的accessability（注，也就是一段物理内存对应两份虚拟内存，并且两份虚拟内存有不同的accessability）。

XV6在用户程序中支持以上任意的特性吗？除了有类似于trap及其相关的alarm hander之外，XV6不支持任何一个以上的特性。XV6只有一个最小化的Unix接口，并不支持以上任何虚拟内存特性。尽管在XV6的内核中包含了所有的可用的虚拟内存的机制，但是并没有以系统调用的形式将它们暴露给用户空间。论文的观点是，任何一个好的操作系统都应该以系统调用的形式提供以上特性，以供应用程序使用。

所以自然的，这就引出了另一个问题，当今的Unix系统的功能范围是什么？以上特性属于Unix的范畴吗？如果你查看现在的Unix系统，例如Linux，你会发现，或许并不与论文中描述的完全一样，但是这些特性都存在。在论文那个年代（1991年），某些操作系统只包含了部分以上特性，但是如今这些特性都已经在现代的Unix系统中广泛支持了。接下来我们看一下如何实现这些特性。