[WIL] Copy On Write

Copy On Write

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📌copy on write 개념

• Copy-on-Write은 메모리 관리 기술 중 하나로, 데이터를 공유 하면서 수정이 발생하면 복사본을 생성해 데이터의 일관성을 유지하면서 리소스를 절약하는 기법

 

 

📌copy on write가 적용되지 않았을때

• 그림과 같이 포크를 할 때마다 부모 프로세스가 사용중인 프레임의 수 만큼 카피 프레임을 생성하여 사용한다면 완전히 같은 데이터를 가지고 있는 데이터 프레임이 중복되어 사용될텐데 이는 메모리 공간을 낭비로 볼 수 있다. 

 

📌copy on write가 적용 후

• copy on write은 이렇게 메모리 공간 내 동일한 데이터를 가진 프레임이 중복되어 존재하는 것을 줄이는 기법으로 포크를 할 때 
  일단 부모와 자식이 프레임을 공유하여 카피 프레임의 생성을 줄이고 변경이 이루어질 때만 해당 프레임을 복사하는 기술로 볼 수 있다.

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📌copy on write 예시

•  cow를 적용해 부모 A로 부터 포크된 자식들이 같은 프레임을 공유하고 있는 상황

• 자식A가 공유하고 있는 프레임에 대한 내용변경을 시도한 상황 공유중인 프레임에 일방적으로 내용을 변경하면 다른 프로세스들의 실행에 의도치 않은 영향을 미칠 수 있다.

• 이런 상황을 막기 위해서 자식 B가 변경을 시도한 공유 프레임을  복제하여 자식 B에게 개별적으로 할당함으로써 쓰기 작업을 수행해도 다른 프로세스에게 영향이 가지 않도록 한다.

•  이제 자식 B는 자신이 변경하고 싶은 프레임을 복사한 프레임을 가졌기 때문에 부모와 자식들이 가진 공유된 프레임을 변경하지 않고도 자식 B가 요청한 쓰기 작업을 복제된 프레임에 수행할 수 있습니다. 이렇게 cow를 사용하면 데이터를 효율적으로 공유하고 변경 시에만 복사를 수행함으로써 자원 사용을 최적화 할 수 있습니다.

• 따라서 앞서 설명한 작업을 수행하기 위해서는 프로세스가 메모리 프레임에 접근할 때 해당 접근이 '쓰기' 인지 '읽기'인지 의도를 구분할 수 있어야 합니다. 이러한 의도를 인지하기 위해서, 의도적으로 페이지 폴트를 발생시키는 방법을 사용할 수 있습니다. 

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📌구현

• 포크시 부모의 보조 페이지 테이블을 복사할 때 기존에는 새로운 프레임을 생성하여 부모의 프레임을 복제 했었지만 사진을 보면 copy _frame 에 p_frame 을 즉시 배정하는 코드를 볼 수 있는데 이는 부모의 프레임을 자식이 공유받는 것이 된다.그리고 부모와 자식페이지 둘다 write 비트를 false로 설정함으로써 현재 페이지가 쓰기가 가능한 페이지인지 아닌 페이지인지 구분 없이 일단 write가 수행되면  페이지 폴트가 발생하도록 구현함

• 앞에서 페이지를 복사할때 write 비트를 false로  설정했으므로 프레임을 공유하는 페이지에 쓰기를 시도하면 페이지 폴트가 발생하고 브이엠 트라이 핸들 폴트 함수가 실행되게 됩니다. 이 함수에서는 인자값으로 어떠한 상황에서 발생한 페이지 폴트인지 구분할 수 있고, 보이는 코드와 같이 페이지의 writable이 true이고  write로 인해 페이지 폴트가 발생한 것이 확인 되면, cow로 인해 발생한 페이지 폴트로 구분하여 처리할 수 있게된다.

• vm_handle_wp 함수는 페이지 폴트 핸들러 함수에서 cow로 인한 페이지 폴트로 판단 되면 호출되는 함수이다.

 

• 첫번째로 이 함수에서는 페이지 폴트를 발생시킨 프로세스의 페이지에 새로운 프레임을 할당 해준다. 그다음 공유하고 있던 프레임을 새로 할당한 프레임에 카피하고 이 pml4 set page 함수를 통해 프레임의 kva와 페이지의 va를 연결함으로써 공유페이지로부터 쓰기 작업을 수행해도 상관없는 독립된 메모리 공간을 할당하는 작업이 끝나게 된다.
• 이제 페이지 폴트 핸들러가 트루로 리턴 되게 되면 페이지폴트가 발생했던 시점부터 다시 이어서 프로세스가 실행되는데 
  새로 할당받은 프레임은 쓰기가 가능한 프레임이므로 페이지 폴트가 발생하지 않고 작업을 이어나갈 수 있다.