ATC 2024 Paper 论文阅读笔记整理

问题

CXL这样的新内存技术实现了多种内存配置，如分层内存、远内存和内存处理。为了支持这些新的硬件配置，需要对操作系统进行大量修改。例如，Meta的TPP内核补丁对NUMA和页面回收策略进行了更改，对22个内核文件进行更改以实现分层内存系统[33]。然而，Linux的内存管理（MM）子系统使得为新的内存硬件添加软件支持变得更加困难：它是单一的，功能分布在数十个文件中，其中许多文件需要对每个扩展进行修改。

相比之下，文件系统和存储可以通过VFS和块层进行扩展，通过标准化的驱动程序接口进行驱动程序扩展，通过协议进行网络连接。这些组件都可以作为独立组件实现，而无需修改核心内核代码。

挑战

随着内存系统多样性和异构性的增加，操作系统内存管理必须具有可扩展性，以应对需求的快速增长。包括以下四个目标：

• 表达性：可扩展性接口必须允许表达各种各样的MM行为。

• 透明度：未经修改的应用程序应该能够使用MM扩展。

• 控制：高级应用程序需要为特定区域指定内存行为。

• 非侵入性：实施不应要求对现有的MM代码进行大量更改。

本文方法

本文使用Linux虚拟文件系统（VFS）提供的内存管理回调来编写内存管理器，称为内存管理文件系统（MFS），而不是为内存管理器创建一个全新的可扩展接口。通过在MFS的装载目录中创建和映射文件来分配内存，并通过删除文件来释放内存，称为基于文件的内存管理（FBMM）。

• 表达性：VFS层提供的回调函数允许MFS控制如何处理MM事件，如页面错误。

• 透明度：在内核的内存管理系统中添加了一个小的填充层，通过创建内存支持的文件并将分配请求分配给特定文件，将mmap等MM系统调用透明地转换为文件操作。

• 控制：基于文件系统实现，文件系统为不同的MM实现提供了一种方便的命名机制。应用程序可以在MFS的装载目录中手动创建和映射文件，以提供特定内存区域所需的功能。

• 非侵入性：方法基于现有的VFS回调，只需要添加填隙层。

FBMM用于分层内存、连续分配和内存带宽分配，每个管理器包含500-1500行代码。使用FBMM是，MFS可以与内核分开编译，并在需要时动态加载。

开源代码：GitHub - multifacet/fbmm

实验测量了使用文件系统进行内存管理的开销，发现当分配单个页面时，开销小于8%，而当分配128个页面时，开销则小于0.1%。

总结

针对适应新内存硬件的内存管理系统，原始方法适应新硬件需要大量内核程序的修改。本文提出基于文件的内存管理（FBMM），使用Linux虚拟文件系统（VFS）提供的内存管理回调来编写内存管理器，将其独立为内存管理文件系统（MFS），通过在MFS的装载目录中创建和映射文件来分配内存，并通过删除文件来释放内存。通过拦截内存管理系统调用并转换为MFS中的文件系统操作，对应用程序透明。也支持应用程序在MFS的装载目录中手动创建和映射文件，以提供特定内存区域所需的功能。