[发明专利]一种基于Linux内核页表替换的内存访问模型追踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及操作系统和程序分析领域。

背景技术

现在，处理器速度与内存访问速度的差距越来越大，已经达到了几个数量级，根据最慢的部分决定系统的性能的原则，内存系统成为性能的瓶颈，因此亟需优化程序的内存行为。不同性质的应用程序具有不同类型的内存访问模型，优化的方式也不一样。因此如果我们能确定程序的内存访问模型，就能对症下药，进行预取优化。

程序内存访问模型就是程序内存行为的描述，现在已有文献上并没有明确的定义，而且现有工具都不能高效的追踪程序的内存访问，导致了程序性能分析的复杂性。国外对于内存访问模型已经进行了初步的研究，Junghee等人的研究发现，如果事先知道程序的内存访问模型，就可以做进一步的优化，提高程序的性能。Mary等人使用MPAT工具(a memory pattern analysis tool)分析了三种不同的内存访问模型，以评估内存系统的设计。他根据MPAT收集到的资料，用来分析软件、硬件在哪些方面需要改进以提高内存系统的性能。其在论文中用高速缓存命中率随时间的变化这种形式来描述内存访问模型。而且其未考虑多处理器、多核系统上，多线程程序的内存访问模型。Jonathan等人则利用Chameleon框架软件包里的工具捕获应用程序里的简明内存签名(memorysignature)，并产生人工内存地址痕迹来模拟这个签名。Chameleon同时模拟空间和时间局部性，能提供精确的人工痕迹。在现有的各种不同内存层次上，这个痕迹的cache命中率和原来程序基本一样。他将Chameleon应用在高性能(HPC)程序上，通过使用抽样技术来捕获到全面的、并行程序的内存签名，而且仅仅产生5倍的减速。国外也实现了一些内存访问地址追踪工具，如valgrind等，它们的实现并不需要更改Linux内核，而且追踪的是内存访问地址，而不是页面，这样对于高性能计算程序，获得的统计数据量会出现存储空间爆炸的情况。

本发明中的内存访问模型是指程序的虚拟内存页面访问顺序，以及每个页面访问的持续时间(这样就能估算出每个页面的访问次数)。获取了程序的内存访问模型后就能指导对程序的内存行为进行优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提出一种基于Linux内核进程页表替换的内存访问模型追踪方法，该轻量级的追踪方法以页面地址为追踪粒度，具有速度快，产生的追踪数据量小的特点，适合于高性能计算程序的内存追踪需求。

本发明采用的技术方案：基于Linux内核进程页表替换的内存访问模型追踪方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)引导程序创建出一个子进程来执行要统计内存访问模型的目标程序，在目标程序执行之前，父进程通过向Linux内核添加的系统调用a来启动统计过程，并将要统计的目标进程号(_mt_pid_)传递进内核；

(2)另外申请一个页表，称之为假页表，假页表中对于非代码段的页面只保留一项，这样对非代码段的每次内存访问都会产生缺页中断，除非一直访问某个地址；在切换到目标进程的时候将假页表的地址传递给cr3寄存器，使操作系统与假页表建立联系；

(3)目标进程开始执行，由于使用了假页表，目标程序的每次访问内存都会触发缺页中断，在处理缺页中断时，记录访问的内存页号和访问次数，即内存访问模型；通过向Linux内核添加的系统调用c将内存访问模型数据取出到用户态；

(4)目标进程执行完后，通过向Linux内核添加的调用系统调用b结束统计过程。

在所述步骤(1)中系统调用a为向Linux内核中添加的新系统调用，用来启动统计过程和变量初始化工作；系统调用a首先判断我们要统计的目标进程号(_mt_pid_)是否已经设置，如果已经设置，说明另一个内存访问模型的统计正在进行，则启动失败；如果未设置，则设置目标进程号(_mt_pid_)为引导程序传递给系统调用a的进程号；然后系统调用a初始化内存访问模型追踪所需要的变量并创建一个假页表，将页表地址(_mt_pgd_)设置为假页表的地址，同时备份真页表的地址。

在所述步骤(2)中假页表与真页表的协作方式为：在假页表每次触发缺页中断后，首先通过真页表判断是否真正缺页：若不缺页，则将真页表中保存的物理页信息复制到假页表中；若缺页，则将要访问的页面加载入物理内存中，同时将真页表中对应项的值复制到假页表中；最后将离开的页面在假页表中的表项值清零；这样，假页表中只有当前进程所处理的页面有对应的物理页信息。

在所述步骤(3)中系统调用c为向Linux内核中添加的新系统调用，引导程序通过不断调用系统调用c将追踪到的内存访问模型数据取出到用户态。