week11_0724.md

• mm_struct와 vm_area_struct에 대해 설명하시오.

  • mm_struct

    • mm_struct는 프로세스의 주소 공간을 표현하는 정보를 담고 있는 구조체이다.

    • 프로세스의 task_struct구조체의 mm항목이 해당 프로세스의 mm_struct구조체를 가리키며 프로세스 스케줄링 발생 시 해당 프로세스의 서술자인 task_struct의 mm항목이 가리키는 mm_struct가 로드된다.

      • 커널 스레드 에는 프로세스 주소 공간이 없기 때문에 mm항목이 가리키는 mm_struct 또한 없다. 하지만 커널 스레드 는 커널 메모리 영역 에 접근하기 위한 페이지 테이블과 같이 mm_struct구조체의 일부 정보가 필요할 수 있기에 이전 프로세스의 주소 공간을 그대로 둔다.
        • 이전 프로세스의 주소 공간을 그대로 사용하는 것이 어떻게 커널 스레드 가 필요로 하는 정보를 제공할 수 있는 방법이 되는가?

          커널 스레드 가 접근하는 메모리 영역은 커널 메모리 영역 인데, 이는 모든 프로세스가 페이지 테이블 상에서 공유하는 메모리 영역 이기에 어느 프로세스든 이전에 사용하던 프로세스의 주소 공간을 그대로 사용하면 커널 스레드 가 필요로 하는 커널 메모리 영역 에 대한 정보를 얻을 수 있다.

    • mm_Struct는 메모리 영역 들로 이루어져 있다.

      • mm_struct를 구성하는 메모리 영역 들은 mmap과 mm_rb의 자료구조에 같은 내용을 담아 유지한다.
        • mmap 리스트 형태로 모든 메모리 영역 을 탐색할 때 유용하다. 연결 형태가 간단하고 리스트 헤드 에서 시작하여 리스트 의 마지막 노드까지 빠르게 순회할 수 있기 때문이다.
        • mm_rb 레드블랙트리 형태로 특정 메모리 영역 을 탐색할 때 유용하다. 균일하고 빠른 탐색 시간(O(log n)) 이 보장되기 때문이다.

  • vm_area_struct

    • vm_area_struct는 주어진 주소 공간에서 연속된 구간에 해당하는 단일 메모리 영역 을 나타낸다.
      • 커널은 각 메모리 영역을 독립적인 메모리 겍체로 간주하기에 각 메모리 영역 은 영역별로 접근 권한 및 관련된 작업들을 설정할 수 있다.
        • 이 덕분에 프로세스 주소 공간의 스택 혹은 데이터 영역, 파일과 매핑된 메모리 영역 등 종류가 다른 메모리 영역 들을 하나의 vm_area_struct로 모두 표현할 수 있다.
      • vm_area_struct는 해당 메모리 영역 에 대한 정보를 담고 있다.
        • 메모리 영역 의 시작과 끝 주소

          [ vm_start, vm_end)

        • mm_struct가 유지하는 vm_area_struct의 리스트 를 구현하기 위한 vm_next 포인터
        • mm_struct가 유지하는 vm_area_struct의 레드블랙트리 를 구현하기 위한 vm_rb 변수
        • 접근 권한과 플래그
        • vm_area_struct가 실행하는 함수들의 포인터들이 존재하는 구조체를 가리키는 포인터 vm_ops
        • 등등
    • mm_struct는 vm_area_struct들의 정보를 유지하고 있다.

• VMA 플래그에 대해 설명하시오.

  • vm_flags 항목에 메모리 영역의 동작과 메모리 영역이 들어 있는 페이지에 대한 정보를 제공한다.
    • VM_READ, VM_WRITE, VM_EXEC
    • VMA의 종류에 따라 적절하게 조합하여 프로세스의 접근 권한을 제어하는 플래그들이다.
      • 코드 영역 이라면 VM_READ, VM_EXEC
      • 데이터 영역 이라면 VM_READ, VM_WRITE
      • COPY ON WRITE 라면 VM_READ
    • VM_SHARED
      • 해당 메모리 영역 이 여러 프로세스가 공유하는 영역인지 나타내는 플래그
      • 이 플래그가 설정되어 있으면 공유 할당 , 아니면 개별 할당 이라고 부른다.
    • VM_IO
      • 해당 메모리 영역 이 장치 입출력 공간으로 할당된 것인지 나타내는 플래그
      • 이 플래그가 설정되어 있는 메모리 영역 은 프로세서의 코어 덤프 에 포함되지 않는다.
        • 코어 덤프
          • 프로그램 오류 진단 혹은 디버깅에 쓰이기 위해, 프로그램이 비정상적으로 종료되었을 때 만들어지는, 프로세스의 특정 시점의 메모리 상태를 기록한 것

• mmap에 대해 설명하시오.

  • mmap

    • mmap은 사용자 공간에 제공되는 시스템 호출 이다.

      #include <sys/mman.h>
      
      void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fildes, off_t off);
      /*
      * addr: 매핑할 메모리 주소
      * len: 메모리 공간의 크기
      * prot: 보호모드
      * flags: 매핑된 데이터의 처리 방법을 지정하는 함수
      * fildes: 파일 기술자
      * off: 파일 오프셋
      */

    • mmap은 내부적으로 do_mmap을 호출한다.

      • do_mmap
        • do_mmap은 커널 이 연속된 주소 범위를 새로 만들 때 사용되는 함수이다.
        • do_mmap은 새로 생성한 주소 범위와 인접한 주소 범위가 이미 존재하고, 새로 생선한 주소 범위의 권한 설정과 인접한 주소 범위의 그것이 같다면 두 주소 범위를 하나로 합친다.

        do_mmap함수는 프로세스의 주소 공간에 주소 범위를 추가하기 위해 사용하는 함수이다.

• 페이지 테이블을 이용해 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 과정에 대해 설명하시오.

  1. MMU가 TLB에 찾고자 하는 page offset이 존재하는지 확인
  2. 존재하면 TLB에서 그 정보를 가지고 와서 곧바로 물리 주소로 변환
  3. 존재하지 않으면 메모리에 적재되어 있는 페이지 테이블에 접근
     • PTBR을 이용하여 현재 프로세스의 페이지 테이블 위치를 알 수 있다.
  4. 페이지 테이블에서 page offset에 대응되는 frame offset 획득
  5. 가상 주소의 page offset 부분을 frame offset으로 변환하여 물리 주소 생성
  6. 생성한 물리 주소를 이용하여 메모리로 접근