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Also, in order to keep track of swap space, a <quote>list of holes</quote> is kept in kernel memory, and this tends to get severely fragmented as well. Since the <quote>list of holes</quote> is a linear list, the swap allocation and freeing performance is a non-optimal O(n)-per-page.
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Context English Portuguese (Brazil) State
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| B |
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| A |
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| B |
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| A |
+---------------+
On the first write to a page after this, a new page is created in B, and its contents are initialized from A. All pages in B can be paged in or out to a swap device. When the program forks, the VM system creates two new object layers—C1 for the parent, and C2 for the child—that rest on top of B: Na primeira escrita em uma página depois disso, uma nova página é criada em B e seu conteúdo é inicializado a partir de A. Todas as páginas em B podem ser paginadas para dentro ou para fora por um dispositivo de troca. Quando é feito o fork do programa, o sistema de VM cria duas novas camadas de objetos - C1 para o processo pai e C2 para o filho - que ficam no topo de B:
_ external ref='fig3' md5='__failed__' external ref='fig3' md5='__failed__'
+-------+-------+
| C1 | C2 |
+-------+-------+
| B |
+---------------+
| A |
+---------------+
+-------+-------+
| C1 | C2 |
+-------+-------+
| B |
+---------------+
| A |
+---------------+
In this case, let's say a page in B is modified by the original parent process. The process will take a copy-on-write fault and duplicate the page in C1, leaving the original page in B untouched. Now, let's say the same page in B is modified by the child process. The process will take a copy-on-write fault and duplicate the page in C2. The original page in B is now completely hidden since both C1 and C2 have a copy and B could theoretically be destroyed if it does not represent a <quote>real</quote> file; however, this sort of optimization is not trivial to make because it is so fine-grained. FreeBSD does not make this optimization. Now, suppose (as is often the case) that the child process does an <function>exec()</function>. Its current address space is usually replaced by a new address space representing a new file. In this case, the C2 layer is destroyed: Neste caso, digamos que uma página em B seja modificada pelo processo pai original. O processo terá uma falha de copy-on-write e duplicará a página em C1, deixando a página original em B intocada. Agora, digamos que a mesma página em B seja modificada pelo processo filho. O processo assumirá uma falha de copy-on-write e duplicará a página em C2. A página original em B agora está completamente oculta, já que C1 e C2 têm uma cópia e B poderia, teoricamente, ser destruído se não representasse um arquivo <quote>real</quote>; no entanto, esse tipo de otimização não é trivial de se fazer, porque é muito refinado. O FreeBSD não faz essa otimização. Agora, suponha (como é frequentemente o caso) que o processo filho execute um <function>exec()</function>. Seu espaço de endereço atual é geralmente substituído por um novo espaço de endereço representando um novo arquivo. Nesse caso, a camada C2 é destruída:
_ external ref='fig4' md5='__failed__' external ref='fig4' md5='__failed__'
+-------+
| C1 |
+-------+-------+
| B |
+---------------+
| A |
+---------------+
+-------+
| C1 |
+-------+-------+
| B |
+---------------+
| A |
+---------------+
In this case, the number of children of B drops to one, and all accesses to B now go through C1. This means that B and C1 can be collapsed together. Any pages in B that also exist in C1 are deleted from B during the collapse. Thus, even though the optimization in the previous step could not be made, we can recover the dead pages when either of the processes exit or <function>exec()</function>. Neste caso, o número de filhos de B cai para um, e todos os acessos para B passam agora por C1. Isso significa que B e C1 podem ser unidas. Todas as páginas em B que também existem em C1 são excluídas de B durante a união. Assim, mesmo que a otimização na etapa anterior não possa ser feita, podemos recuperar as páginas mortas quando um dos processos finalizar ou executar um <function>exec()</function>.
This model creates a number of potential problems. The first is that you can wind up with a relatively deep stack of layered VM Objects which can cost scanning time and memory when you take a fault. Deep layering can occur when processes fork and then fork again (either parent or child). The second problem is that you can wind up with dead, inaccessible pages deep in the stack of VM Objects. In our last example if both the parent and child processes modify the same page, they both get their own private copies of the page and the original page in B is no longer accessible by anyone. That page in B can be freed. Este modelo cria vários problemas potenciais. O primeiro é que você pode acabar com uma pilha relativamente profunda de objetos de VM em camadas, que pode custar tempo de varredura e memória quando ocorrer uma falha. Camadas profundas podem ocorrer quando houver forks dos processos e, em seguida, houver um fork novamente (do processo pai ou filho). O segundo problema é que você pode acabar com páginas profundas inacessíveis e mortas no meio da pilha de objetos de VM. Em nosso último exemplo, se os processos pai e filho modificarem a mesma página, ambos receberão suas próprias cópias privadas da página e a página original em B não poderá mais ser acessada por ninguém. Essa página em B pode ser liberada.
FreeBSD solves the deep layering problem with a special optimization called the <quote>All Shadowed Case</quote>. This case occurs if either C1 or C2 take sufficient COW faults to completely shadow all pages in B. Lets say that C1 achieves this. C1 can now bypass B entirely, so rather then have C1-&gt;B-&gt;A and C2-&gt;B-&gt;A we now have C1-&gt;A and C2-&gt;B-&gt;A. But look what also happened—now B has only one reference (C2), so we can collapse B and C2 together. The end result is that B is deleted entirely and we have C1-&gt;A and C2-&gt;A. It is often the case that B will contain a large number of pages and neither C1 nor C2 will be able to completely overshadow it. If we fork again and create a set of D layers, however, it is much more likely that one of the D layers will eventually be able to completely overshadow the much smaller dataset represented by C1 or C2. The same optimization will work at any point in the graph and the grand result of this is that even on a heavily forked machine VM Object stacks tend to not get much deeper then 4. This is true of both the parent and the children and true whether the parent is doing the forking or whether the children cascade forks. O FreeBSD resolve o problema de camadas profundas com uma otimização especial chamada <quote>All Shadowed Case</quote>. Este caso ocorre se C1 ou C2 tiverem falhas de COW suficientes para fazer uma copia de sombra completa de todas as páginas em B. Digamos que C1 consiga isso. C1 agora pode ignorar B completamente, então, em vez de temos C1-&gt;B-&gt;A e C2-&gt;B-&gt;A temos agora C1-&gt;A e C2-&gt;B-&gt;A. Mas veja o que também aconteceu - agora B tem apenas uma referência (C2), então podemos unir B e C2. O resultado final é que B é deletado inteiramente e temos C1-&gt;A e C2-&gt;A. É comum que B contenha um grande número de páginas e nem C1 nem C2 possam ofuscar completamente. Se nós forçarmos novamente e criarmos um conjunto de camadas D, no entanto, é muito mais provável que uma das camadas D eventualmente seja capaz de ofuscar completamente o conjunto de dados muito menor representado por C1 ou C2. A mesma otimização funcionará em qualquer ponto do gráfico e o grande resultado disso é que, mesmo em uma máquina diversos forks, pilhas de objetos da VM tendem a não ficar muito mais profundas do que 4. Isso é verdade tanto para o processo pai quanto para os filhos e verdadeiro quer seja o processo pai fazendo o fork ou os processos filhos fazendo forks em cascata.
The dead page problem still exists in the case where C1 or C2 do not completely overshadow B. Due to our other optimizations this case does not represent much of a problem and we simply allow the pages to be dead. If the system runs low on memory it will swap them out, eating a little swap, but that is it. O problema da página morta ainda existe no caso em que C1 ou C2 não ofuscaram completamente as páginas de B. Devido as nossas outras otimizações, este caso não representa um grande problema e simplesmente permitimos que as páginas fiquem inativas. Se o sistema ficar com pouca memória, ele irá trocá-las, comendo uma pequena parte da swap, mas é isso.
The advantage to the VM Object model is that <function>fork()</function> is extremely fast, since no real data copying need take place. The disadvantage is that you can build a relatively complex VM Object layering that slows page fault handling down a little, and you spend memory managing the VM Object structures. The optimizations FreeBSD makes proves to reduce the problems enough that they can be ignored, leaving no real disadvantage. A vantagem do modelo de objetos de VM é que o <function>fork()</function> é extremamente rápido, já que não é necessária nenhuma cópia de dados real. A desvantagem é que você pode criar uma camada de Objetos de VM relativamente complexa que reduz um pouco o tratamento de falhas de página e gasta memória gerenciando as estruturas de Objetos de VM. As otimizações que o FreeBSD faz prova reduzir os problemas o suficiente para que as falhas possam ser ignoradas, não deixando nenhuma desvantagem real.
SWAP Layers Camadas de SWAP
Private data pages are initially either copy-on-write or zero-fill pages. When a change, and therefore a copy, is made, the original backing object (usually a file) can no longer be used to save a copy of the page when the VM system needs to reuse it for other purposes. This is where SWAP comes in. SWAP is allocated to create backing store for memory that does not otherwise have it. FreeBSD allocates the swap management structure for a VM Object only when it is actually needed. However, the swap management structure has had problems historically: As páginas de dados privadas são inicialmente páginas copy-on-write ou zero-fill. Quando uma alteração e, portanto, uma cópia, é feita, o objeto de apoio original (geralmente um arquivo) não pode mais ser usado para salvar uma cópia da página quando o sistema da VM precisar reutilizá-lo para outras finalidades. É aí que o SWAP entra. O SWAP é alocado para criar um suporte de armazenamento para a memória que não o possui. O FreeBSD aloca a estrutura de gerenciamento de troca para um objeto de VM somente quando for realmente necessário. No entanto, historicamente, a estrutura de gerenciamento de troca teve problemas:
Under FreeBSD 3.X the swap management structure preallocates an array that encompasses the entire object requiring swap backing store—even if only a few pages of that object are swap-backed. This creates a kernel memory fragmentation problem when large objects are mapped, or processes with large runsizes (RSS) fork. Sob o FreeBSD 3.X, a estrutura de gerenciamento de swap pré-aloca uma matriz que engloba todo o objeto que requer suporte para armazenamento da swap - mesmo que apenas algumas páginas desse objeto sejam suportadas por swap. Isto cria um problema de fragmentação de memória do kernel quando grandes objetos são mapeados ou processos com fork de grandes runsizes (RSS).
Also, in order to keep track of swap space, a <quote>list of holes</quote> is kept in kernel memory, and this tends to get severely fragmented as well. Since the <quote>list of holes</quote> is a linear list, the swap allocation and freeing performance is a non-optimal O(n)-per-page. Além disso, para manter o controle do espaço de swap, uma <quote>lista de espaços vazios</quote> é mantida na memória do kernel, e isso tende a ficar severamente fragmentado também. Como a lista <quote>de espaços vazios</quote> é uma lista linear, o desempenho de alocação e liberação de swap é uma troca O(n)-per-page (Uma por página) não ideal.
It requires kernel memory allocations to take place during the swap freeing process, and that creates low memory deadlock problems. Requer que as alocações de memória do kernel ocorram durante o processo de troca de swap, e isto cria problemas de deadlock de pouca memória.
The problem is further exacerbated by holes created due to the interleaving algorithm. O problema é ainda mais exacerbado por buracos criados devido ao algoritmo de intercalação.
Also, the swap block map can become fragmented fairly easily resulting in non-contiguous allocations. Além disso, o mapa de blocos da swap pode se fragmentar com bastante facilidade, resultando em alocações não contíguas.
Kernel memory must also be allocated on the fly for additional swap management structures when a swapout occurs. A memória do kernel também deve ser alocada dinamicamente para estruturas adicionais de gerenciamento da swap quando ocorre uma troca.
It is evident from that list that there was plenty of room for improvement. For FreeBSD 4.X, I completely rewrote the swap subsystem: É evidente a partir dessa lista que havia muito espaço para melhorias. Para o FreeBSD 4.X, eu reescrevi completamente o subsistema de swap:
Swap management structures are allocated through a hash table rather than a linear array giving them a fixed allocation size and much finer granularity. As estruturas de gerenciamento de swap são alocadas por meio de uma tabela de hash, em vez de um array linear, fornecendo um tamanho de alocação fixo e uma granularidade muito mais fina.
Rather then using a linearly linked list to keep track of swap space reservations, it now uses a bitmap of swap blocks arranged in a radix tree structure with free-space hinting in the radix node structures. This effectively makes swap allocation and freeing an O(1) operation. Em vez de usar uma lista vinculada linearmente para acompanhar as reservas de espaço de troca, ele agora usa um bitmap de blocos de troca organizados em uma estrutura de árvores raiz com dicas de espaço livre nas estruturas do nó de origem. Isto efetivamente faz a alocação de swap e libera uma operação O(1).
The entire radix tree bitmap is also preallocated in order to avoid having to allocate kernel memory during critical low memory swapping operations. After all, the system tends to swap when it is low on memory so we should avoid allocating kernel memory at such times in order to avoid potential deadlocks. Todo o bitmap da árvore raiz também é pré-alocado para evitar ter que alocar a memória do kernel durante operações críticas de troca com memória baixa. Afinal de contas, o sistema tende a trocar quando está com pouca memória, por isso devemos evitar a alocação da memória do kernel nesses momentos para evitar possíveis deadlocks.
To reduce fragmentation the radix tree is capable of allocating large contiguous chunks at once, skipping over smaller fragmented chunks. Para reduzir a fragmentação, a árvore raiz é capaz de alocar grandes blocos contíguos de uma só vez, pulando pedaços menores e fragmentados.
I did not take the final step of having an <quote>allocating hint pointer</quote> that would trundle through a portion of swap as allocations were made in order to further guarantee contiguous allocations or at least locality of reference, but I ensured that such an addition could be made. Eu não dei o último passo de ter um <quote>ponteiro de sugestão de alocação</quote> que percorria uma porção da swap conforme as alocações eram feitas a fim de garantir alocações contíguas ou pelo menos a referência localmente, mas assegurei que tal adição poderia ser feita.
When to free a page Quando libertar uma página
Since the VM system uses all available memory for disk caching, there are usually very few truly-free pages. The VM system depends on being able to properly choose pages which are not in use to reuse for new allocations. Selecting the optimal pages to free is possibly the single-most important function any VM system can perform because if it makes a poor selection, the VM system may be forced to unnecessarily retrieve pages from disk, seriously degrading system performance. Como o sistema de VM usa toda a memória disponível para o cache em disco, geralmente há poucas páginas realmente livres. O sistema de VM depende de poder escolher corretamente as páginas que não estão em uso para reutilizar em novas alocações. Selecionar as páginas ideais para liberar é possivelmente a função mais importante que qualquer sistema de VM pode executar, porque se fizer uma seleção ruim, o sistema de VM poderá ser desnecessariamente forçado a recuperar páginas do disco, prejudicando seriamente o desempenho do sistema.
How much overhead are we willing to suffer in the critical path to avoid freeing the wrong page? Each wrong choice we make will cost us hundreds of thousands of CPU cycles and a noticeable stall of the affected processes, so we are willing to endure a significant amount of overhead in order to be sure that the right page is chosen. This is why FreeBSD tends to outperform other systems when memory resources become stressed. Quanta sobrecarga estamos dispostos a sofrer no caminho crítico para evitar a liberação da página errada? Cada escolha errada que fazemos nos custará centenas de milhares de ciclos da CPU e uma paralisação notável dos processos afetados, por isto estamos dispostos a suportar uma quantidade significativa de sobrecarga, a fim de ter certeza de que a página certa é escolhida. É por isto que o FreeBSD tende a superar outros sistemas quando os recursos de memória ficam estressados.
The free page determination algorithm is built upon a history of the use of memory pages. To acquire this history, the system takes advantage of a page-used bit feature that most hardware page tables have. O algoritmo de determinação de página livre é construído sobre um histórico do uso das páginas de memória. Para adquirir este histórico, o sistema tira proveito de um recurso de um bit usado pela página que a maioria das tabelas de página de hardware possui.
In any case, the page-used bit is cleared and at some later point the VM system comes across the page again and sees that the page-used bit has been set. This indicates that the page is still being actively used. If the bit is still clear it is an indication that the page is not being actively used. By testing this bit periodically, a use history (in the form of a counter) for the physical page is developed. When the VM system later needs to free up some pages, checking this history becomes the cornerstone of determining the best candidate page to reuse. Em qualquer caso, o bit usado na página é desmarcado e, em algum momento posterior, o sistema de VM encontra a página novamente e vê que o bit usado na página foi definido. Isso indica que a página ainda está sendo usada ativamente. Se o bit ainda estiver desmarcado, é uma indicação de que a página não está sendo usada ativamente. Ao testar este bit periodicamente, é desenvolvido um histórico de uso (na forma de um contador) para a página física. Quando, posteriormente, o sistema de VM precisar liberar algumas páginas, a verificação desse histórico se tornará a base da determinação da melhor página candidata a ser reutilizada.

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