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The title is really just a fancy way of saying that I am going to attempt to describe the whole VM enchilada, hopefully in a way that everyone can follow. For the last year I have concentrated on a number of major kernel subsystems within FreeBSD, with the VM and Swap subsystems being the most interesting and NFS being <quote>a necessary chore</quote>. I rewrote only small portions of the code. In the VM arena the only major rewrite I have done is to the swap subsystem. Most of my work was cleanup and maintenance, with only moderate code rewriting and no major algorithmic adjustments within the VM subsystem. The bulk of the VM subsystem's theoretical base remains unchanged and a lot of the credit for the modernization effort in the last few years belongs to John Dyson and David Greenman. Not being a historian like Kirk I will not attempt to tag all the various features with peoples names, since I will invariably get it wrong.
979/9390
Context English Portuguese (Brazil) State
_ translator-credits Danilo G. Baio, dbaio@FreeBSD.org, 2018
Edson Brandi, ebrandi@FreeBSD.org, 2018
Silvio Ap Silva, contato@kanazuchi.com, 2018
André Franciosi, andre@franciosi.org, 2018
Design elements of the FreeBSD VM system Elementos de design do sistema de VM do FreeBSD

<email>dillon@apollo.backplane.com</email>

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FreeBSD is a registered trademark of the FreeBSD Foundation. FreeBSD is a registered trademark of the FreeBSD Foundation.
Linux is a registered trademark of Linus Torvalds. Linux is a registered trademark of Linus Torvalds.
Microsoft, IntelliMouse, MS-DOS, Outlook, Windows, Windows Media and Windows NT are either registered trademarks or trademarks of Microsoft Corporation in the United States and/or other countries. Microsoft, IntelliMouse, MS-DOS, Outlook, Windows, Windows Media and Windows NT are either registered trademarks or trademarks of Microsoft Corporation in the United States and/or other countries.
Motif, OSF/1, and UNIX are registered trademarks and IT DialTone and The Open Group are trademarks of The Open Group in the United States and other countries. Motif, OSF/1, and UNIX are registered trademarks and IT DialTone and The Open Group are trademarks of The Open Group in the United States and other countries.
Many of the designations used by manufacturers and sellers to distinguish their products are claimed as trademarks. Where those designations appear in this document, and the FreeBSD Project was aware of the trademark claim, the designations have been followed by the <quote>™</quote> or the <quote>®</quote> symbol. Many of the designations used by manufacturers and sellers to distinguish their products are claimed as trademarks. Where those designations appear in this document, and the FreeBSD Project was aware of the trademark claim, the designations have been followed by the <quote>™</quote> or the <quote>®</quote> symbol.
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The title is really just a fancy way of saying that I am going to attempt to describe the whole VM enchilada, hopefully in a way that everyone can follow. For the last year I have concentrated on a number of major kernel subsystems within FreeBSD, with the VM and Swap subsystems being the most interesting and NFS being <quote>a necessary chore</quote>. I rewrote only small portions of the code. In the VM arena the only major rewrite I have done is to the swap subsystem. Most of my work was cleanup and maintenance, with only moderate code rewriting and no major algorithmic adjustments within the VM subsystem. The bulk of the VM subsystem's theoretical base remains unchanged and a lot of the credit for the modernization effort in the last few years belongs to John Dyson and David Greenman. Not being a historian like Kirk I will not attempt to tag all the various features with peoples names, since I will invariably get it wrong. O título é realmente apenas uma maneira extravagante de dizer que vou tentar descrever todo o grupo de itens de uma VM, espero que de uma forma que todos possam acompanhar. Pelo ultimo ano eu me concentrei em vários dos principais subsistemas do kernel dentro do FreeBSD, com os subsistemas VM e Swap sendo os mais interessantes e o NFS sendo <quote>uma tarefa necessária</quote>. Eu reescrevi apenas pequenas partes do código. Na área de VM, a única grande reescrita que fiz foi para o subsistema de troca. A maior parte do meu trabalho foi de limpeza e manutenção, com apenas uma moderada reescrita de código e sem grandes ajustes nos algorítimos do subsistema VM. A maior parte da base teórica do subsistema VM permanece inalterada e muito do crédito pelo esforço de modernização nos últimos anos pertence a John Dyson e David Greenman. Não sendo um historiador como Kirk, eu não tentarei marcar todos os vários recursos com nomes de pessoas, já que invariavelmente vou errar.
This article was originally published in the January 2000 issue of <link xlink:href="http://www.daemonnews.org/">DaemonNews</link>. This version of the article may include updates from Matt and other authors to reflect changes in FreeBSD's VM implementation. Este artigo foi publicado originalmente na edição de janeiro de 2000 do <link xlink:href="http://www.daemonnews.org/">DaemonNews</link>. Esta versão do artigo pode incluir atualizações feitas por Matt e outros autores para refletir as mudanças na implementação da VM do FreeBSD.
Introduction Introdução
Before moving along to the actual design let's spend a little time on the necessity of maintaining and modernizing any long-living codebase. In the programming world, algorithms tend to be more important than code and it is precisely due to BSD's academic roots that a great deal of attention was paid to algorithm design from the beginning. More attention paid to the design generally leads to a clean and flexible codebase that can be fairly easily modified, extended, or replaced over time. While BSD is considered an <quote>old</quote> operating system by some people, those of us who work on it tend to view it more as a <quote>mature</quote> codebase which has various components modified, extended, or replaced with modern code. It has evolved, and FreeBSD is at the bleeding edge no matter how old some of the code might be. This is an important distinction to make and one that is unfortunately lost to many people. The biggest error a programmer can make is to not learn from history, and this is precisely the error that many other modern operating systems have made. <trademark class="registered">Windows NT</trademark> is the best example of this, and the consequences have been dire. Linux also makes this mistake to some degree—enough that we BSD folk can make small jokes about it every once in a while, anyway. Linux's problem is simply one of a lack of experience and history to compare ideas against, a problem that is easily and rapidly being addressed by the Linux community in the same way it has been addressed in the BSD community—by continuous code development. The <trademark class="registered">Windows NT</trademark> folk, on the other hand, repeatedly make the same mistakes solved by <trademark class="registered">UNIX</trademark> decades ago and then spend years fixing them. Over and over again. They have a severe case of <quote>not designed here</quote> and <quote>we are always right because our marketing department says so</quote>. I have little tolerance for anyone who cannot learn from history. Antes de avançarmos para o design atual, vamos dedicar um pouco de tempo a necessidade de manter e modernizar qualquer base de código duradoura. No mundo da programação, os algoritmos tendem a ser mais importantes do que o código, e é precisamente devido as raízes acadêmicas do BSD que uma grande atenção foi dada ao design do algoritmo desde o início. Mais atenção ao design geralmente leva a uma base de código limpa e flexível que pode ser facilmente modificada, estendida ou substituída ao longo do tempo. Embora o BSD seja considerado um sistema operacional <quote>antigo</quote> por algumas pessoas, aqueles de nós que trabalham nele tendem a vê-lo mais como uma base de código <quote>madura</quote> que possui vários componentes modificados, estendidos, ou substituído por código moderno. Ele evoluiu e o FreeBSD está no topo, não importa quantos anos tenha o código. Esta é uma distinção importante a ser feita e infelizmente perdida para muitas pessoas. O maior erro que um programador pode cometer é não aprender com a história, e esse é precisamente o erro que muitos outros sistemas operacionais modernos cometeram. <trademark class="registered">Windows NT</trademark> é o melhor exemplo disso, e as conseqüências foram terríveis. O Linux também cometeu esse erro até certo ponto - o suficiente para que nós, do BSD, possamos fazer pequenas piadas sobre isso de vez em quando, entretanto. O problema do Linux é simplesmente a falta de experiência e histórico para comparar idéias, um problema que está sendo resolvido de forma fácil e rápida pela comunidade Linux, da mesma forma como foi abordado na comunidade BSD - pelo desenvolvimento contínuo de código. Por outro lado, o povo do <trademark class="registered">Windows NT</trademark>, repetidamente comete os mesmos erros resolvidos no <trademark class="registered">UNIX</trademark> décadas atrás e depois gasta anos corrigindo-os. De novo e de novo. Eles têm um caso grave de <quote>não foi projetado aqui</quote> e <quote>estamos sempre certos porque nosso departamento de marketing diz que sim</quote>. Tenho pouca tolerância para quem não pode aprender com a história.
Much of the apparent complexity of the FreeBSD design, especially in the VM/Swap subsystem, is a direct result of having to solve serious performance issues that occur under various conditions. These issues are not due to bad algorithmic design but instead rise from environmental factors. In any direct comparison between platforms, these issues become most apparent when system resources begin to get stressed. As I describe FreeBSD's VM/Swap subsystem the reader should always keep two points in mind: Grande parte da complexidade aparente do design do FreeBSD, especialmente no subsistema VM/Swap, é um resultado direto de ter que resolver sérios problemas de desempenho que ocorrem sob várias condições. Estes problemas não se devem ao mau design de algorítimo, mas sim a fatores ambientais. Em qualquer comparação direta entre plataformas, estes problemas tornam-se mais aparentes quando os recursos do sistema começam a ficar estressados. Como descrevo o subsistema VM/Swap do FreeBSD, o leitor deve sempre manter dois pontos em mente:
The most important aspect of performance design is what is known as <quote>Optimizing the Critical Path</quote>. It is often the case that performance optimizations add a little bloat to the code in order to make the critical path perform better. O aspecto mais importante do design de desempenho é o que é conhecido como <quote>Otimizando o Caminho Crítico </quote>. Muitas vezes, as otimizações de desempenho inflam um pouco o código, para que o caminho crítico tenha um melhor desempenho.
A solid, generalized design outperforms a heavily-optimized design over the long run. While a generalized design may end up being slower than an heavily-optimized design when they are first implemented, the generalized design tends to be easier to adapt to changing conditions and the heavily-optimized design winds up having to be thrown away. Um design sólido e generalizado supera um projeto altamente otimizado a longo prazo. Enquanto um design generalizado pode acabar sendo mais lento do que um projeto altamente otimizado quando eles são implementados pela primeira vez, o design generalizado tende a ser mais fácil de se adaptar as mudanças de condições e o projeto altamente otimizado acaba tendo que ser descartado.
Any codebase that will survive and be maintainable for years must therefore be designed properly from the beginning even if it costs some performance. Twenty years ago people were still arguing that programming in assembly was better than programming in a high-level language because it produced code that was ten times as fast. Today, the fallibility of that argument is obvious — as are the parallels to algorithmic design and code generalization. Qualquer base de código que sobreviva e seja sustentável por anos deve, portanto, ser projetada adequadamente desde o início, mesmo que isso custe algum desempenho. Vinte anos atrás, as pessoas ainda argumentavam que programar em assembly era melhor do que programar em uma linguagem de alto nível porque produzia um código que era dez vezes mais rápido. Hoje, a queda desse argumento é óbvia - assim como os paralelos com o design de algorítimo e a generalização de código.
VM Objects Objetos de VM
The best way to begin describing the FreeBSD VM system is to look at it from the perspective of a user-level process. Each user process sees a single, private, contiguous VM address space containing several types of memory objects. These objects have various characteristics. Program code and program data are effectively a single memory-mapped file (the binary file being run), but program code is read-only while program data is copy-on-write. Program BSS is just memory allocated and filled with zeros on demand, called demand zero page fill. Arbitrary files can be memory-mapped into the address space as well, which is how the shared library mechanism works. Such mappings can require modifications to remain private to the process making them. The fork system call adds an entirely new dimension to the VM management problem on top of the complexity already given. A melhor maneira de começar a descrever o sistema de VM do FreeBSD é examiná-lo da perspectiva de um processo em nível de usuário. Cada processo do usuário vê um espaço de endereço de VM único, privado e contíguo, contendo vários tipos de objetos de memória. Esses objetos possuem várias características. O código do programa e os dados do programa são efetivamente um único arquivo mapeado na memória (o arquivo binário sendo executado), mas o código do programa é read-only enquanto os dados do programa são copy-on-write. O programa BSS é apenas memória alocada e preenchida com zeros sob demanda, chamado de demanda de preenchimento de página com zero. Arquivos arbitrários também podem ser mapeados na memória dentro do espaço de endereçamento como bem entender, que é como o mecanismo de biblioteca compartilhada funciona. Esses mapeamentos podem exigir modificações para permanecerem privados para o processo que os produz. A chamada do sistema de fork adiciona uma dimensão totalmente nova ao problema de gerenciamento de VMs além da complexidade já fornecida.
A program binary data page (which is a basic copy-on-write page) illustrates the complexity. A program binary contains a preinitialized data section which is initially mapped directly from the program file. When a program is loaded into a process's VM space, this area is initially memory-mapped and backed by the program binary itself, allowing the VM system to free/reuse the page and later load it back in from the binary. The moment a process modifies this data, however, the VM system must make a private copy of the page for that process. Since the private copy has been modified, the VM system may no longer free it, because there is no longer any way to restore it later on. Uma página de dados binários do programa (que é uma página básica de copy-on-write) ilustra a complexidade. Um programa binário contém uma seção de dados pré-inicializada que é inicialmente mapeada diretamente a partir do arquivo de programa. Quando um programa é carregado no espaço de VM de um processo, esta área é inicialmente mapeada na memória e suportada pelo próprio binário do programa, permitindo que o sistema de VM liberte/reutilize a página e depois carregue-a de volta a partir do binário. No entanto, no momento em que um processo modifica esses dados, o sistema de VM deve fazer uma cópia privada da página para esse processo. A partir do momento que a cópia privada tenha sido modificada, o sistema de VM pode não mais liberá-la, porque não há mais como restaurá-la depois.
You will notice immediately that what was originally a simple file mapping has become much more complex. Data may be modified on a page-by-page basis whereas the file mapping encompasses many pages at once. The complexity further increases when a process forks. When a process forks, the result is two processes—each with their own private address spaces, including any modifications made by the original process prior to the call to <function>fork()</function>. It would be silly for the VM system to make a complete copy of the data at the time of the <function>fork()</function> because it is quite possible that at least one of the two processes will only need to read from that page from then on, allowing the original page to continue to be used. What was a private page is made copy-on-write again, since each process (parent and child) expects their own personal post-fork modifications to remain private to themselves and not effect the other. Você notará imediatamente que o que originalmente era um mapeamento de arquivo simples se tornou muito mais complexo. Os dados podem ser modificados página a página, enquanto o mapeamento de arquivos abrange muitas páginas de uma só vez. A complexidade aumenta ainda mais quando existe um fork do processo. Quando um processo se duplica, o resultado são dois processos - cada um com seus próprios espaços de endereçamento privados, incluindo quaisquer modificações feitas pelo processo original antes de chamar um <function>fork()</function>. Seria bobagem o sistema de VM fizesse uma cópia completa dos dados no momento do <function>fork()</function> porque é bem possível que pelo menos um dos dois processos precise apenas ler essa página a partir de então, permitindo que a página original continue a ser usada. O que era uma página privada é feito um copy-on-write novamente, já que cada processo (pai e filho) espera que suas próprias modificações pós-fork permaneçam privadas para si mesmas e não afetem a outra.
FreeBSD manages all of this with a layered VM Object model. The original binary program file winds up being the lowest VM Object layer. A copy-on-write layer is pushed on top of that to hold those pages which had to be copied from the original file. If the program modifies a data page belonging to the original file the VM system takes a fault and makes a copy of the page in the higher layer. When a process forks, additional VM Object layers are pushed on. This might make a little more sense with a fairly basic example. A <function>fork()</function> is a common operation for any *BSD system, so this example will consider a program that starts up, and forks. When the process starts, the VM system creates an object layer, let's call this A: O FreeBSD gerencia tudo isso com um modelo de objetos de VM em camadas. O arquivo de programa binário original acaba sendo a camada de objeto de VM mais baixa. Uma camada copy-on-write é colocada acima dela para conter as páginas que tiveram que ser copiadas do arquivo original. Se o programa modificar uma página de dados pertencente ao arquivo original, o sistema de VM assumirá que existe uma falha e fará uma cópia da página na camada superior. Quando existe um fork do processo, as camadas adicionais de objetos de VM são ativadas. Isso pode fazer um pouco mais de sentido com um exemplo bastante básico. Um <function>fork()</function> é uma operação comum para qualquer sistema *BSD, então este exemplo irá considerar um programa que inicia e é feito um fork. Quando o processo é iniciado, o sistema de VM cria uma camada de objeto, vamos chamar isso de A:
_ external ref='fig1' md5='__failed__' external ref='fig1' md5='__failed__'
+---------------+
| A |
+---------------+
+---------------+
| A |
+---------------+
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