CN101004712A - 将实存分配给虚存页大小的方法及系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于当所有实存在使用时将实存分配给虚存页大小的一种方法、系统及计算机程序产品。响应于缺页，选择用于虚拟页的页帧。响应于判断出所述页不代表新页，将一页调入所述页帧中，而且在重新调页率数据结构中修改用于该页的页大小的重新调页率。

Description

将实存分配给虚存页大小的方法及系统

技术领域

本发明总体上涉及数据处理系统，尤其涉及数据处理系统的存储管理。更加具体地，本发明涉及一种用于当系统的所有实存均在使用时，在虚存页大小间自动分配实存的系统、方法及计算机程序产品。

背景技术

随着基于处理器的系统越来越多地深入到人类活动的各个方面，越来越要求处理器和专用集成电路(ASIC)开发及生产群体生产出能够以不断提高的速度来储存并处理不断增加的数据量的系统。电路产品，包括微处理器、数字信号和其他专用的处理器、以及专用集成电路，已经参与到大量关键功能的完成，而且微处理器在日常生活中重要的任务中的参与已经增加了人们对即时结果的期待。无论计算延迟的影响将用人类生命来衡量或仅仅用元或分来衡量，电路产品的消费者已经无法忍受不能即时地显示的结果。

日益增长的对结果的速度的重视已经导致了并行的对计算装置性能的重视。当用户倾向于按照处理器速度、安装的物理存储器和图形卡考虑性能时，其他因素诸如使用虚存时资源分配的有效性也可证明是关键的。虚存是指对被称为页交换文件(paging file)的数据结构的操纵。页交换文件与计算机中安装的物理RAM很紧密地相关。其目的是作为物理RAM的补充，并增加系统可以使用的存储空间。服务及安装的应用均可从此“额外”的RAM中受益，尽管其与倾向于占据存储器讨论主导地位的物理RAM有本质上的不同。

当计算机上正在运行的应用及服务所加的负荷接近于安装的RAM的量时，操作系统需要额外的RAM。如果没有额外的RAM可用，则数据处理系统利用替代物，比如虚存。页文件(page file)在操作系统安装时被创建，并驻留于硬盘驱动器上。页文件用兆字节来度量。页文件的大小基于该计算机中安装的RAM的量。通常地，页帧是指用作虚拟页的容器的固定的一块实存(例如，RAM)。虚拟页是指固定大小的数据单元，其可以存在于存储器中(在页帧中)或者在盘上页空间(paging space)中。虚拟页可以被调出(page out)(从页帧移出至盘上的页空间中)或调入(pagein)(从盘上的页空间移入页帧)。默认地，一些操作系统创建的页文件是安装的物理RAM量的1.5倍。

为了提高系统性能，许多计算机体系结构及操作系统用多页大小来实现页交换文件。使用多页大小的一个显著的问题在于判断怎样将存储器分配到每种页大小。例如，在具有4K和64K两种页大小的系统中，必须对4K和64K页之间的分配作出判定。由于在现有技术中不能够在所有实存均使用时在各种页大小之间动态调整虚存的分配，目前使用的系统的稳健性及灵活性被弱化。

在系统的所有实存没有全部使用的情况下(即，系统工作负荷的虚存空间占用(footprint)小于数据处理系统的实存大小)，存储器分配的问题就简化了，因为操作系统可以基于每个页大小中“空闲”的存储量自动调整用于每个页大小的存储量。例如，在具有64K和4K页的系统中，如果系统中64K页的50％未被使用以及4K页的3％未被使用，那么在现有技术中，操作系统可被编程为把存储器从64K页转移至4K页。一页帧是被分配以支持页的一块物理存储器或RAM。

当所有实存在使用中(即系统的工作负荷的虚存空间占用大于数据处理系统的实存大小)时，在各种页大小之间自动分配实存就会成为重大的、且在现有技术中未得到适当回答的挑战。在这种情况下，操作系统不能使用每个页大小的空闲存储量，作为分配存储器的探试法的基础，因为所有可用的存储器均被使用。

例如，在一个具有64K和4K页的系统中，可能有两项作业使用4K页及两项作业使用64K页。两项4K作业可能已经通过扫描只被使用一次的缓存文件数据而消耗了系统中所有可用的4K页。两项64K作业可能已经通过被64K作业高度引用的数据使用了所有可用的64K页，而且由于在64K页上的颠簸(thrashing)，这些作业可能慢速运行。在这样的情况下，系统的总吞吐量会受到损害，而且如果操作系统增加了系统中64K页的数量来减少由64K作业所引起的64K页的颠簸，总吞吐量会增加。因为4K作业不会再次引用缓存文件数据，它们不需要将缓存文件数据保存在存储器中，因而减少4K页的数量将不会对系统性能有负面影响。

现有技术没有解决的对操作系统的挑战是检测如上所述的情况，并调整分配给不同的页大小的存储量，从而提高系统的整体性能。所需要的是一种用于当系统所有实存被使用时，自动在虚存页大小之间分配实存的系统、方法和计算机程序产品。

发明内容

公开了用于当所有实存在使用时将实存分配给虚存页大小的一种方法、系统和计算机程序产品。响应于缺页(page fault)，选择用于虚拟页的页帧。响应于判断出所述页不代表新页，一页将被页调入至所述页帧，该页的页大小的重新调页率(repagingrate)将在一重新调页率数据结构中被修改。

附图说明

被认为是发明特性的新颖特征将在后附权利要求书中阐明。然而，发明本身及其最优的使用模式、进一步的目的以及优点，将会参照以下对示例性实施例的详细描述以及附图得到最好的理解。

图1示出了用于本发明的方法、系统及计算机程序产品的通用数据处理系统的框图，该方法、系统及计算机程序产品用于当系统的所有实存都在使用时在虚存页大小之间自动分配实存；

图2示出了用于本发明的方法、系统及计算机程序产品的数据处理系统的RAM中的数据结构的框图，该方法、系统及计算机程序产品用于当系统的所有实存都在使用时在虚存页大小之间自动分配实存；以及

图3是一过程的高级逻辑流程图，该过程用于当系统的所有实存在使用时，在虚存页大小之间自动分配实存；

具体实施方式

本发明提供了用于当所有实存在使用时在虚存页大小之间自动分配实存的一种方法、系统及计算机程序产品。在本发明中，当工作负荷的虚存空间占用超过了系统的实存大小时，操作系统将开始页替换，以将存储器内的页写出到盘中，从而存储器内的页可以用于其他数据。只要写出到盘的数据不是立即需要，那么写出存储器中的页是可接受的。然而，如果写出到盘的数据在一个很短的时间段内被再次需要，则数据必须马上从盘调回(以下称作“重新调页”)，而且由于该数据的用户必须等待数据返回到存储器中，系统将遇到吞吐量问题。这样，减少系统中被重新调页的页的数量将会提高其虚存使用的有效性，原因是其增加了保持在存储器中的被高度引用的数据的量。本发明包含了一种用于测量页被重新调页率从而确定如何在各页大小间分配存储器的方法。

现参照附图，特别参照图1，示出了根据本发明的最优实施例的通用数据处理系统的框图。数据处理系统100包含处理存储单元(例如，RAM102)及处理器104。数据处理系统100还包含非易失性存储器106，比如硬盘驱动器或其他直接存取存储设备。输入/输出(I/O)控制器108通过有线或无线链路(比如网络线缆112)提供了与网络110的连接。I/O控制器108还通过有线或无线链路116(比如线缆或射频连接)与用户I/O设备114(比如键盘、显示设备、鼠标或打印机))相连接。系统互连118连接了处理器104、RAM102、存储设备106以及I/O控制器108。在RAM102中，分配页的RAM系统126包含第一大小的5个页142a-142e以及第二大小的5个页144a-144e。第一大小的空帧142f可用作页分配。

现在来看图2，示出了用于本发明的方法、系统及计算机程序产品的数据处理系统中RAM的数据结构框图，该方法、系统及计算机程序产品用于当系统的所有实存在使用时在虚存页大小之间自动分配实存。根据本发明的优选实施例，在RAM102中，数据处理系统100在运行时存储了几个数据项及指令。操作系统130控制应用程序128与处理器104、RAM102、存储设备106及I/O控制器108的交互。在操作系统130中，日志记录模块148准备页大小日志126，该日志为详细说明分配模块152在分配页帧大小时使用的页请求的统计的重新调页率数据结构。页创建模块154创建新页，以及页删除模块156删除不再需要的页。类似地，页帧创建模块164创建新的页帧，以及页帧删除模块166删除不再需要的页帧。其他操作系统部件134执行操作系统的其他标准功能。

现参照图3，其示出了一过程的高级逻辑流程图，该过程用于当系统的所有实存在使用时在虚存页大小之间自动分配实存。该过程从步骤300开始，然后转到步骤302，该步骤示出分配模块152判断是否存在缺页。如果分配模块152判断出不存在缺页，那么过程将继续至步骤304。在步骤304，操作系统130判断是否接收到关闭指令。如果操作系130判断出接收到关闭指令，那么过程将在步骤306结束。如果操作系统130判断没有接收到关闭指令，那么过程返回步骤302。

返回至步骤302，如果分配模块152判断出存在缺页，那么过程将继续至步骤308，该步骤是示出分配模块152选择页帧的宏步骤。宏步骤308从步骤310开始，该步骤示出分配模块152判断在分配页的RAM126中是否存在空闲页帧。如果分配模块152判断出存在空闲页帧，那么过程将移至步骤312。步骤312示出分配模块152在分配页的RAM126中分配页帧。然后过程在移至步骤314时退出宏步骤308，步骤314示出页创建模块154判断在步骤312中分配的页帧是否是用于新页的页帧。如果页创建模块154判断出在步骤312中分配的页帧是用于新页的页帧，那么过程移至步骤316，该步骤示出页创建模块154将步骤312中分配的页进行置零。过程然后返回步骤302。

返回步骤314，如果页创建模块154判断出在步骤312中分配的页帧不是用于新页的页帧，那么过程将移至步骤318，该步骤示出页创建模块154将步骤312中分配的页调入适合的页帧，比如在步骤312中分配的页帧。接下来，过程移至步骤320，其为宏步骤340的第一个步骤。宏步骤340包括步骤320-326，这些步骤示出日志记录模块148修改形式为页大小日志126的重新调页率数据结构。宏步骤340从步骤320开始。步骤320示出日志记录模块148判断步骤318中调入的页是否为最近在页大小日志126中调出的页。如果日志记录模块148判断出在步骤318中调入的页不是最近在页大小日志126中调出的页，那么过程将退出宏步骤340并返回至步骤302，该步骤在上文已描述。如果日志记录模块148判断出步骤318中调入的页是最近在页大小日志126中调出的页，那么过程移至步骤322，该步骤示出日志记录模块148更新用于步骤318中调入的页的大小的页的、页大小日志126中的重新调页率。

该过程接下来移至步骤324，该步骤示出日志记录模块14从页大小日志126判断是否不同大小的页重新调页率不同。如果日志记录模块148从页大小日志126判断出不同大小的页的重新调页率没有不同，那么过程退出宏步骤340并返回步骤302，该步骤在上文已描述。如果日志记录模块148从页大小日志126判断出不同大小的页的重新调页率不同，那么过程将继续至步骤326，该步骤示出操作系统130使用页帧删除模块166来减少具有较低需求的大小的页帧的数量，并使用页帧创建模块164来增加具有较高需求的页大小(即，具有较高重新调页率的页大小)的页帧的数量。请注意，在本发明的可选实施例中，本步骤可以多种不同的方式完成。在另一个可选实施例中，可使用页帧转换模块，而不是页帧删除模块和页帧创建模块，该页帧转换模块用来将一组页帧从一种页大小转换至另一种页大小(例如，将16个4k页帧转换至1个64K页帧)。过程然后退出宏步骤340并返回步骤302，该步骤在上文已描述。

回到宏步骤308中的步骤310，如果分配模块152判断出不存在空闲页帧，那么过程移至步骤330，其为宏步骤328的第一步。宏步骤328示出分配模块152执行页替换。步骤330示出分配模块152判断在分配页的RAM126中是否存在足够的空闲页帧。如果分配模块152判断出在分配页的RAM中存在足够的空闲页帧，那么过程退出宏步骤328并返回步骤310。如果分配模块152判断出在分配页的RAM中不存在足够的空闲页帧，那么过程继续至步骤332，该步骤示出分配模块152从分配页的RAM126中选择一个页进行替代。过程接下来移至步骤334。步骤334示出页删除模块156从分配页的RAM126中调出一页。过程然后继续至步骤336，该步骤示出日志记录模块148更新页大小日志126。过程接下来移至步骤338。步骤338示出日志记录模块148在页大小日志126中标记一页帧为空闲。过程然后返回步骤330，该步骤在上文已描述。

举例来说，考虑其中支持两种页大小的数据处理系统100。假定分配页的RAM126系统包含64K的第一大小的5个页帧142a-142e以及4K的第二大小的5个页帧144a-144e。如果用于两种页大小的所有存储器很低或全部耗尽，那么使用操作系统130进行的页替换，而且第一大小的页帧142a-142e和第二大小的页帧144a-144e均将被替换。如果64K的第一大小的页142a-142e比4K的第二大小的页144a-144e以更大的百分比被重新调页(即被选择替换，被写出至存储设备106，然后很快从存储设备106调回)，则如果用于64K的第一大小的页142a-142e的存储器大于用于4K的第二大小的页144a-144e的存储器(例如，通过减少4K的第二大小的页帧的数量并增加64K的第一大小的页帧的数量)，数据处理系统100的性能将被提高。在本例中，本发明允许用于64K的第一大小的页142a-142e的存储器大于用于4K的第二大小的页144a-144e的存储器。由于本发明允许用于64K的第一大小的页142a-142e的存储器大于用于4K的第二大小的页144a-144e的存储器，所以64K的第一大小的页142a-142e保持在RAM102，而且被重新调页的存储量减少。这样，引用64K的第一大小的页142a-142e的应用不会在高度引用的64K的第一大小的页142a-142e上发生缺页，而且不用必须等候从存储设备106中读出64K的第一大小的页142a-142e。

尽管已经根据一优选实施例具体描述了本发明，本领域的技术人员将知道可在形式和细节上对其进行各种改变，而不会脱离本发明的实质和范围。同样重要的是指出，虽然本发明是在全功能的计算机系统的情境中描述的，然而本领域的技术人员将知道本发明的机制可以多种形式的程序产品被分发，而且不论实际用来进行分配的信号承载介质的特定类型，本发明都同样适用。信号承载介质的例子包括但不限于可记录型介质，比如软盘或CDROM，以及传输型介质，比如模拟或数字通信链路。

Claims (14)

1.一种当所有实存在使用时，给虚存页大小分配实存的方法，所述方法包括：

响应于缺页，为虚拟页选择页帧；

响应于判断出所述页不代表新页，

将一页调入所述页帧；以及

在重新调页率数据结构中修改用于该页的页大小的重新调页率。

2.根据权利要求1的方法，其中所述页是第一页，而且其中所述修改重新调页率的步骤进一步包括：

响应于通过参照所述重新调页率数据结构判断出所述第一页是最近调出的，更新用于所述第一页的大小的重新调页率；以及

响应于判断出用于第二页的大小的重新调页率超过了用于所述第一页的所述大小的所述重新调页率，创建所述第二页的所述大小的一个或多个新页帧。

3.根据权利要求1的方法，其中所述页为第一页，而且其中所述修改重新调页率的步骤进一步包括：

响应于通过参照所述重新调页率数据结构判断出所述第一页是最近调出的，更新用于所述第一页的大小的重新调页率；以及

响应于判断出用于第二页的大小的重新调页率小于用于所述第一页的所述大小的所述重新调页率，创建用于所述第一页的所述大小的一个或多个新页帧。

4.根据权利要求1的方法，其中所述为虚拟页选择页帧的步骤进一步包括：响应于判断出存在空闲页帧，分配所述空闲页帧。

5.根据权利要求1的方法，进一步包括：响应于判断出所述页代表新页，对所述页帧置零。

6.根据权利要求1的方法，其中所述选择空闲页帧的步骤进一步包括：响应于判断出不存在空闲页帧，执行页替换。

7.根据权利要求6的方法，其中所述执行页替换的步骤进一步包括：

响应于判断出不存在足够数量的空闲页帧，

选择用于替换的页；

调出所述用于替换的页；

更新所述重新调页率数据结构；以及

指示新的空闲页帧。

8.一种用于当所有实存在使用时给虚存页大小分配实存的系统，所述系统包括：

用于响应于缺页错误为虚拟页选择页帧的装置；

用于响应于判断出所述页不代表新页，执行以下操作的装置，

将页调入所述页帧；以及

在重新调页率数据结构中修改用于该页的页大小的重新调页率。

9.根据权利要求8的系统，其中所述页为第一页，而且其中所述用于修改重新调页率的装置进一步包括：

用于响应于通过参照所述重新调页率数据结构判断出所述第一页是最近调出的，更新用于所述第一页的大小的重新调页率的装置；以及

用于响应于判断出用于第二页的大小的重新调页率超过了用于所述第一页的所述大小的所述重新调页率，创建所述第二页的所述大小的一个或多个新页帧的装置。

10.根据权利要求8的系统，其中所述页为第一页，而且其中所述用于修改重新调页率的装置进一步包括：

用于响应于通过参照所述重新调页率数据结构判断出所述第一页是最近调出的，更新用于所述第一页的大小的重新调页率的装置；以及

用于响应于判断出用于第二页的大小的重新调页率小于用于所述第一页的所述大小的重新调页率，创建用于所述第一页的所述大小的一个或多个页帧的装置。

11.根据权利要求8的系统，其中所述为虚拟页选择页帧的装置进一步包括：用于响应于判断出存在所述空闲页帧，分配所述空闲页帧的装置。

12.根据权利要求8的系统，进一步包括：用于响应于判断出所述页代表新页，对所述页帧置零的装置。

13.根据权利要求8的系统，其中所述用于选择空闲页帧的装置进一步包括：用于响应于判断出不存在空闲页帧，执行页替换的装置。

14.根据权利要求8的系统，其中所述执行页替换的装置进一步包括：

用于响应于判断出不存在足够数量的空闲页帧，执行以下操作的装置，

选择用于替换的页；

调出所述用于替换的页；

更新所述重新调页率数据结构；以及

指示新的空闲页帧。

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