c - 在进程内的写内存上分配副本

Question

我有一个通过 mmap 获得的内存段与 MAP_ANONYMOUS .

如何分配相同大小的第二个内存段，该内存段引用第一个内存段并在 Linux(目前工作 Linux 2.6.36)中进行复制写入？

我想要和fork完全一样的效果，只是不创建新进程。我希望新映射保持相同的过程。

整个过程必须在原始页面和复制页面上都是可重复的(就像父和子将继续 fork 一样)。

我不想分配整个段的直接副本的原因是因为它们有多个 GB 大，我不想使用可以共享的写时复制的内存。

我尝试过的:
mmap该段共享，匿名。
关于重复 mprotect将其设为只读并使用 remap_file_pages 创建第二个映射也是只读的。

然后使用 libsigsegv拦截写尝试，手动复制页面然后mprotect两者都可以读写。

有诀窍，但很脏。我基本上是在实现我自己的虚拟机。

遗憾 mmap ing /proc/self/mem当前 Linux 不支持，否则会出现 MAP_PRIVATE在那里映射可以解决问题。

写时复制机制是 Linux VM 的一部分，必须有一种方法可以在不创建新进程的情况下使用它们。

备注:
我在 Mach VM 中找到了合适的机制。

以下代码在我的 OS X 10.7.5 上编译并具有预期的行为:Darwin 11.4.2 Darwin Kernel Version 11.4.2: Thu Aug 23 16:25:48 PDT 2012; root:xnu-1699.32.7~1/RELEASE_X86_64 x86_64 i386gcc version 4.2.1 (Based on Apple Inc. build 5658) (LLVM build 2336.11.00)

#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#ifdef __MACH__
#include <mach/mach.h>
#endif


int main() {

    mach_port_t this_task = mach_task_self();

    struct {
        size_t rss;
        size_t vms;
        void * a1;
        void * a2;
        char p1;
        char p2;
        } results[3];

    size_t length = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
    vm_address_t first_address;
    kern_return_t result = vm_allocate(this_task, &first_address, length, VM_FLAGS_ANYWHERE);

    if ( result != ERR_SUCCESS ) {
        fprintf(stderr, "Error allocating initial 0x%zu memory.\n", length);
           return -1;
    }

    char * first_address_p = first_address;
    char * mirror_address_p;
    *first_address_p = 'a';

    struct task_basic_info t_info;
    mach_msg_type_number_t t_info_count = TASK_BASIC_INFO_COUNT;

    task_info(this_task, TASK_BASIC_INFO, (task_info_t)&t_info, &t_info_count);

    task_info(this_task, TASK_BASIC_INFO, (task_info_t)&t_info, &t_info_count);
    results[0].rss = t_info.resident_size;
    results[0].vms = t_info.virtual_size;
    results[0].a1 = first_address_p;
    results[0].p1 = *first_address_p;

    vm_address_t mirrorAddress;
    vm_prot_t cur_prot, max_prot;
    result = vm_remap(this_task,
                      &mirrorAddress,   // mirror target
                      length,    // size of mirror
                      0,                 // auto alignment
                      1,                 // remap anywhere
                      this_task,  // same task
                      first_address,     // mirror source
                      1,                 // Copy
                      &cur_prot,         // unused protection struct
                      &max_prot,         // unused protection struct
                      VM_INHERIT_COPY);

    if ( result != ERR_SUCCESS ) {
        perror("vm_remap");
        fprintf(stderr, "Error remapping pages.\n");
              return -1;
    }

    mirror_address_p = mirrorAddress;

    task_info(this_task, TASK_BASIC_INFO, (task_info_t)&t_info, &t_info_count);
    results[1].rss = t_info.resident_size;
    results[1].vms = t_info.virtual_size;
    results[1].a1 = first_address_p;
    results[1].p1 = *first_address_p;
    results[1].a2 = mirror_address_p;
    results[1].p2 = *mirror_address_p;

    *mirror_address_p = 'b';

    task_info(this_task, TASK_BASIC_INFO, (task_info_t)&t_info, &t_info_count);
    results[2].rss = t_info.resident_size;
    results[2].vms = t_info.virtual_size;
    results[2].a1 = first_address_p;
    results[2].p1 = *first_address_p;
    results[2].a2 = mirror_address_p;
    results[2].p2 = *mirror_address_p;

    printf("Allocated one page of memory and wrote to it.\n");
    printf("*%p = '%c'\nRSS: %zu\tVMS: %zu\n",results[0].a1, results[0].p1, results[0].rss, results[0].vms);
    printf("Cloned that page copy-on-write.\n");
    printf("*%p = '%c'\n*%p = '%c'\nRSS: %zu\tVMS: %zu\n",results[1].a1, results[1].p1,results[1].a2, results[1].p2, results[1].rss, results[1].vms);
    printf("Wrote to the new cloned page.\n");
    printf("*%p = '%c'\n*%p = '%c'\nRSS: %zu\tVMS: %zu\n",results[2].a1, results[2].p1,results[2].a2, results[2].p2, results[2].rss, results[2].vms);

    return 0;
}

我想在 Linux 中达到同样的效果。

Answer 1

我试图实现同样的目标(事实上，它看起来更简单，因为我只需要拍摄事件区域的快照，我不需要拍摄副本的副本)。我没有找到一个好的解决方案。
直接内核支持 (或缺少):通过修改/添加模块应该可以实现这一点。但是，没有简单的方法可以从现有的 COW 区域设置新的 COW 区域。 fork ( copy_page_rank ) 使用的代码复制一个 vm_area_struct从一个进程/虚拟地址空间到另一个(新的)，但假设新映射的地址与旧映射的地址相同。如果要实现“重新映射”功能，则必须修改/复制该功能以复制 vm_area_struct带地址翻译。
BTRFS : 为此，我想到在 btrfs 上使用 COW。我写了一个简单的程序来映射两个 reflink-ed 文件并尝试映射它们。但是用/proc/self/pagemap查看页面信息显示文件的两个实例不共享相同的缓存页面。 (至少除非我的测试是错误的)。因此，您不会通过这样做获得太多 yield 。相同数据的物理页不会在不同实例之间共享。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>

void* map_file(const char* file) {
  struct stat file_stat;
  int fd = open(file, O_RDWR);
  assert(fd>=0);
  int temp = fstat(fd, &file_stat);
  assert(temp==0);
  void* res = mmap(NULL, file_stat.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
  assert(res!=MAP_FAILED);
  close(fd);
  return res;
}

static int pagemap_fd = -1;

uint64_t pagemap_info(void* p) {
  if(pagemap_fd<0) {
    pagemap_fd = open("/proc/self/pagemap", O_RDONLY);
    if(pagemap_fd<0) {
      perror("open pagemap");
      exit(1);
    }
  }
  size_t page = ((uintptr_t) p) / getpagesize();
  int temp = lseek(pagemap_fd, page*sizeof(uint64_t), SEEK_SET);
  if(temp==(off_t) -1) {
    perror("lseek");
    exit(1);
  }
  uint64_t value;
  temp = read(pagemap_fd, (char*)&value, sizeof(uint64_t));
  if(temp<0) {
    perror("lseek");
    exit(1);
  }
  if(temp!=sizeof(uint64_t)) {
    exit(1);
  }
  return value;
}

int main(int argc, char** argv) {
 
  char* a = (char*) map_file(argv[1]);
  char* b = (char*) map_file(argv[2]);
  
  int fd = open("/proc/self/pagemap", O_RDONLY);
  assert(fd>=0);

  int x = a[0];  
  uint64_t info1 = pagemap_info(a);

  int y = b[0];
  uint64_t info2 = pagemap_info(b);

  fprintf(stderr, "%" PRIx64 " %" PRIx64 "\n", info1, info2);

  assert(info1==info2);

  return 0;
}

mprotect + mmap匿名页面 :它在您的情况下不起作用，但解决方案是对我的主内存区域使用 MAP_SHARED 文件。在快照上，文件被映射到其他地方并且两个实例都受到 mprotected。在写入时，快照中映射了一个匿名页面，数据被复制到这个新页面中，原始页面不 protected 。但是，此解决方案不适用于您的情况，因为您将无法在快照中重复该过程(因为它不是一个普通的 MAP_SHARED 区域，而是一个带有一些 MAP_ANONYMOUS 页面的 MAP_SHARED。此外，它不会随着副本的数量而扩展:如果我有很多 COW 副本，我将不得不对每个副本重复相同的过程，并且不会为副本复制此页面。而且我无法在原始区域映射匿名页面，因为无法映射副本中的匿名页面。无论如何，此解决方案不起作用。
mprotect + remap_file_pages :这看起来是不接触 Linux 内核的唯一方法。缺点是，一般来说，在进行复制时，您可能必须为每个页面进行 remap_file_page 系统调用:进行大量系统调用可能效率不高。对共享页面进行重复数据删除时，您至少需要: remap_file_page 新的写入页面的新/空闲页面，m-un-protect 新页面。每页都需要引用计数。
我不认为 mprotect()基于方法的扩展性非常好(如果您像这样处理大量内存)。在 Linux 上， mprotect()不适用于内存页粒度，但适用于 vm_area_struct粒度(您在/prod//maps 中找到的条目)。做一个 mprotect()在内存页粒度上会导致内核不断拆分和合并vm_area_struct:

你最终会得到一个非常mm_struct ;

查找 vm_area_struct(用于与虚拟内存相关的操作的日志)位于 O(log #vm_area_struct)但它仍然可能对性能产生负面影响；

这些结构的内存消耗。

由于这种原因，创建了 remap_file_pages() 系统调用 [http://lwn.net/Articles/24468/] 以便对文件进行非线性内存映射。使用 mmap 执行此操作，需要日志 vm_area_struct .我不认为他们这是为页面粒度映射而设计的:remap_file_pages() 没有针对这个用例进行非常优化，因为它需要每页一个系统调用。
我认为唯一可行的解​​决方案是让内核来做。可以使用 remap_file_pages 在用户空间中执行此操作，但它可能会非常低效，因为快照将生成需要与页面数量成比例的大量系统调用。 remap_file_pages 的变体可能会起作用。
然而，这种方法复制了内核的页面逻辑。我倾向于认为我们应该让内核来做这件事。总而言之，内核中的实现似乎是更好的解决方案。对于了解内核这部分内容的人来说，应该很容易做到。
KSM (内核同页合并):内核可以做一件事。它可以尝试对页面进行重复数据删除。您仍然需要复制数据，但内核应该能够合并它们。您需要为您的副本映射一个新的匿名区域，使用 memcpy 和 madvide(start, end, MADV_MERGEABLE) 手动复制它。地区。您需要启用 KSM(在 root 中):

echo 1 > /sys/kernel/mm/ksm/run
echo 10000 > /sys/kernel/mm/ksm/pages_to_scan

它有效，但对我的工作量而言效果不佳，但这可能是因为页面最终没有被大量共享。缺点是您仍然必须进行复制(您不能拥有高效的 COW)，然后内核将取消合并页面。它会在复制时产生页面和缓存错误，KSM 守护进程线程会消耗大量 CPU(我有一个 CPU 在整个模拟中以 A00% 运行)并且可能会消耗日志缓存。因此，您在复制时不会获得时间，但可能会获得一些内存。如果您的主要动机是从长远来看使用更少的内存并且您不太关心避免副本，那么此解决方案可能适合您。