第 7 章 虚拟内存系统

物理内存通过结构体vm_page_t以页为基础进行管理。 物理内存的页由它们各自对应的结构体vm_page_t所代表， 这些结构体存放在若干个页管理队列中的一个里面。

一页可以处于在线(wired)、活动(active)，去活(inactive)、缓存(cache)、 自由(free)状态。除了在线状态，页一般被放置在一个双向链表队列里， 代表了它所处的状态。在线页不放置在任何队列里。

FreeBSD为缓存页和自由页实现了一个更为复杂的页队列机制， 以实现对页的分类管理。每一种状态都对应着多个队列， 队列的安排对应着处理器的一级、二级缓存。当需要分配一个新页时， FreeBSD会试图把一个按一级、二级缓存对齐的页面分配给虚拟内存对象。

此外，一个页可以有一个引用计数，可以被一个忙计数锁定。 虚拟内存系统也实现了"终极锁定"(ultimate locked)状态， 一个页可以用页标志PG_BUSY表示这一状态。

总之，每个页队列都按照LRU(Least-Recently Used)的原则工作。

一个页常常最初处于在线或活动状态。在线时，页常常关联于某处的页表。 虚拟内存系统通过扫描在一个较活跃的页队列(LRU)确定页的年龄， 以便将他们移到一个较不活跃的页队列中。 移动到缓存中的页依然与一个VM对象关联，但被作为立即再用的候选。 在自由对列中的页是真正未被使用的。FreeBSD尽量不将页放在自由队列中， 但是必须保持一定数量的自由页，以便响应中断时分配。

如果一个进程试图访问一个不在页表中而在某一队列中的页 (例如去活队列或缓存队列)，一个相对耗费资源少的页错误发生， 导致页被重激活。如果页根本不存在于系统内存之中，进程必须被阻塞， 此时页被从磁盘中载入。

FreeBSD动态的调整页队列，试图将各个队列中的页数维护在一个适当的比例上， 同时管理程序崩溃的已清理和未清理页。重新平衡的比例数值决定于系统内存的负担。 这种重新平衡由pageout守护进程实现，包括清理未清理页(与他们的后备存储同步)、 监视页被引用的活跃程度 (重置它们在LRU队列中的位置或在不同活跃程度的页队列间移动)、 当比例不平衡时在队列间迁移页，如此等等。 FreeBSD的VM系统会将重激活页而产生的错误频率调低到一个合理的数值， 由此确定某一页活跃/闲置的实际程度。 这可以为更好的决定何时清理/分配一个页做出决策。

FreeBSD实现了统一的"虚拟内存对象"(VM对象)的设计思想。 VM对象可以与各种类型的内存使用方式相结合-直接使用(unbacked)、 交换(swap)、物理设备、文件。 由于文件系统使用相同的VM对象管理核内数据-文件的缓存， 所以这些缓存的结构也是统一的。

VM对象可以被影复制(shadowed)。 它们可以被堆放到其它类别VM对象堆栈的顶端。例如，可以有一个交换VM对象， 放置在文件VM对象堆栈的顶端，以实现MAP_PRIVATE的mmap()操作。 这样的入栈操作也可以用来实现各种各样的共享特性， 包括写入时复制(copy-on-write，用于日志文件系统)，以派生出地址空间。

应当注意，一个vm_page_t 结构体在任一个时刻只能与一个VM对象相关联。 VM对象影复本可以实现跨实例的共享相同的页。

vnode VM对象，比如文件VM对象，一般需要维护它们自己的清理(clean)/ 未清理(dirty)信息，而不依赖于文件系统的清理/未清理维护。 例如，当VM系统要同步一个物理页和其对应的实际存储器， VM系统就需要在写入到实际存储器前将该页标记为已清理。 另外，文件系统要能够将文件或文件元数据的各部分映射到内核虚拟内存 (KVM)中以便操作。

用来进行这些管理的实体就是众所周知的文件系统缓存， struct buf或bp。 当文件系统需要对一个VM对象的一部分操作时， 它常会将这个对象的这部分映射到struct buf， 并且将struct buf中页映射到内核虚拟内存(KVM)中。 同样的，磁盘输入/输出通常要先将VM对象的各部分映射到buf结构体中， 然后对buf结构体进行输入/输出操作。 下层的vm_page_t在输入/输出期间通常被标记为"忙"。 文件系统缓存也会"忙"，这对于文件系统驱动程序非常有用， 对文件系统缓存操作比对VM真实页(hard)操作更好。

FreeBSD保留一定数量的内核虚拟内存来存放struct buf的映射， 但是这些buf结构体应该是被清理过的。这些内核虚拟内存仅用来存放映射， 并不限制缓存数据的能力。严格的说，物理数据缓存是 vm_page_t的一个功能，不是文件系统缓存的功能。 然而，由于文件系统缓存被用来处理输入/输出， 他们固有的限制了同时进行输入/输出可能的数量。 但是，由于通常有数千文件系统缓存可供使用，所以这并不会造成问题。

FreeBSD将物理页表结构从VM系统中分离了出来。各进程的所有页表可以脱离进程 (on the fly)重建，并且通常被认为是一次性的。特殊的页表，如内核虚拟内存(KVM)， 常常是被永久性预分配的；这些页表不是一次性的。

FreeBSD通过vm_map_t和vm_entry_t 结构将虚拟内存中vm_objects的各地址范围部分关联起来。 页表被直接的从 vm_map_t/vm_entry_t/vm_object_t 中有层次的合成出来。这里需要重申一下，我曾提到的"物理页仅直接与 vm_object相关联"并不很正确。vm_page_t 也被会被链接到正在与之相关联的页表中。当页表被调用时， 一个vm_page_t结构体可以被链接到几个pmaps。 然而，由于有了层次的关联，因此在对象中所有对同一页的引用会引用同一 vm_page_t结构体，这样就实现了跨区域(board)的缓存的统一。

FreeBSD使用KVM存放各种各样的内核结构体。在KVM中最大的单个实体是文件系统缓存。 那是与struct buf实体有关的映射。

不像Linux，FreeBSD不将所有的物理内存映射到KVM中。 这意味着FreeBSD可以在32位平台上管理超过4GB的内存配置。事实上， 如果mmu(译者注：可能是指"内存管理单元"，"Memory Management Unit") 有足够的能力，FreeBSD理论上可以在32位平台上管理最多8TB的内存配置。 然而，大多数32平台只能映射4GB内存，这只能是一个争论点。

有几种机制可以管理KVM。管理KVM的主要机制是区域分配器 (zone allocator)。区域分配器管理着KVM的大块，再将大块切分为恒定大小的小块， 以便按照某一种类型的结构体分配。你可以使用命令vmstat -m 一览当前KVM分区使用情况。

开发者的协同努力使得FreeBSD可以自行动态调整内核。一般来说， 除了内核配置选项maxusers和NMBCLUSTERS， 你不需要做任何杂乱的事情。这些内核编译配置选项(一般)被指定在 /usr/src/sys/i386/conf/CONFIG_FILE 之中。所有可用内核配置选项的描述可在 /usr/src/sys/i386/conf/LINT中找到。

在一个大系统的配置中，你可能需要增加maxusers的值。 数值范围通常在10到128。注意，过度增加maxusers 的值可能导致系统从实际可用的KVM中溢出，从而引起无法预知的操作。 最好将maxusers设为一个合理的数值，并且添加其它选项， 如NMBCLUSTERS，来增加特定的资源。

如果你的系统要被重负荷的使用网络，你需要增加 NMBCLUSTERS的值。数值范围通常在1024到4096。

NBUF也是传统的规划系统的参数。 这个参数决定系统可用来映射文件系统输入/输出缓存的KVM的数量。 注意：这个参数与统一的缓存没有任何关系。这个参数可在3.0-CURRENT 和以后的内核中被动态的调节，通常不应当被手动的调节。 我们推荐你不要指定NBUF。 让系统自行确定它。太小的值会导致非常低效的文件系统操作； 太大的值会使用页队列中缺少页面，而大量的页处于在线状态。

缺省情况下，FreeBSD内核编译时是不被优化的。 你可以在内核配置文件中用makeoptions 指定排错(debugging)和优化标志。注意，你一般不应使用-g， 除非你能够应付由此产生的大内核(典型的是7MB或更多)。

Sysctl提供了在运行时调整内核的方式。你通常不需要指定任何sysctl变量， 尤其是与VM相关的那些变量。

运行时VM和系统调整的影响相对直接一些。 首先，应当尽可能在UFS/FFS文件系统上使用Soft Updates。 在/usr/src/sys/ufs/ffs/README.softupdates 里有关于如何配置的指示。

其次，应当配置足够多的交换空间。 你应当在每个物理磁盘上配置一个交换分区，最多4个， 甚至在你的"工作"磁盘上。你应当有至少2倍于主内存的交换空间； 假如你没有足够内存的话，交换分区还应更多。 你也应当按照你期望中的最大内存配置决定交换分区的大小， 这样以后就不再需要重新给磁盘分区了。 如果你处理系统崩溃后的内存倾倒(crash dump)， 第一个交换分区必须至少与主内存一样大， /var/crash必须有足够的空间来承装倾倒。

NFS上的交换分区可以很好的被4.X或后来的系统使用， 但是你必须明白NFS服务器将要经受页装载操作很强的冲击。