JP4792065B2 - データ記憶方法 - Google Patents
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Description
これらのファイルの性質によって、このようなアプリケーションは、ディスクからそれらのファイルにアクセスしなければならないのではなく、それらのファイルが1次メモリに記憶されることでファイルに素早くアクセスすることができ、利益を受けることができる。
1次メモリのアクセスはディスクアクセスよりもはるかに高速であるので、大幅な性能向上を達成することができる。
第1の方法は、RAMディスク(1次メモリをストレージとして使用するデバイスドライバ)を作成することである。
この場合、RAMディスク上にファイルシステムを構築することができ、すべてのファイルシステムアクセスは1次メモリから行われる。
メモリベースのファイルシステムは、1次メモリの大部分を占有する可能性があるので、利用可能なシステムメモリの他の消費者が影響を受けないことを確実にするために、メモリファイルシステムのページをページアウトすることができることが必要である。
ページング可能メモリは、ユーザプロセスのアロケートされる仮想メモリ又はカーネルの無名メモリのいずれかとして利用可能にすることができる。
第1の技法では、ファイルシステムデータファイル及びメタデータが、ユーザプロセス仮想メモリに記憶され、仮想メモリシステムがメモリを解放する必要があるときは、ファイルシステムデータファイル及びメタデータをスワップデバイスへトランスペアレントにスワップすることができる。
これは、1次メモリの非効率的な使用である。
これは、オペレーティングシステムカーネルが、現在実行中のプロセスのユーザプロセス仮想メモリ空間以外のユーザプロセス仮想メモリ空間からデータをページインすることがないためである。
したがって、仮想メモリがファイルシステムを記憶するのに使用されるユーザプロセスへのコンテキストスイッチは、読み出しオペレーション又は書き込みオペレーションごとに必要とされる。
システム1はプロセッサ2を備える。
プロセッサ2は、中央処理装置CPU3、内部キャッシュメモリ4、変換索引バッファTLB5、及び、バス7にインターフェースするバスインターフェースモジュール6を含む。
また、バス7には、1次メモリ8及びハードディスク9もインターフェースされている。
1次メモリ8は、メインメモリ又は物理メモリとも呼ばれ、この例では、ランダムアクセスメモリ(RAM)である。
RAM8は、バッファキャッシュ10としてアロケートされている部分を含む。
バッファキャッシュ10は、ハードディスク9へ及びハードディスク9から転送されるデータをバッファリングするバッファをインプリメントするのに使用される。
このバッファキャッシュは、通常、1つ又は複数のフリーリストを使用して、自身のメモリ空間の使用を制御する。
ただし、代替的な実施態様を使用することができる。
システムは、通常、バスにインターフェースされているさまざまな他の入出力サブシステム11も含み、これらの入出力サブシステム11は、システムのオペレーションに必要とされる。
このシステムは、ハードウェア20、カーネル21、及びアプリケーションプログラム22を含む。
ハードウェアは、システムのハードウェアレベルにあるものとして参照され、図1に示すハードウェアシステム構成要素を含む。
カーネル21は、カーネルレベルにあるものとして参照され、オペレーティングシステムのハードウェアを制御する部分である。
処理システム上で実行されるアプリケーションプログラム22は、ユーザレベルにあるものとして参照される。
これらのプログラム命令及びデータは、合わせてデータと総称される。
これらのメモリ内のデータの処理は、メモリ管理システムによってハンドリングされる。
このメモリ管理システムは、カーネルレベルで従来と同様に動作する。
メモリ管理システム30は、オペレーティングシステムのカーネルモード31、すなわちカーネルレベルで動作すると共に、オペレーティングシステムのユーザモード32、すなわちユーザレベルで動作する。
カーネルモード31には、カーネルファイルシステムコンポーネント33が設けられている。
この場合には、HP−UX Unix(登録商標)ベースのオペレーティングシステムのMemFSファイルシステムコンポーネントが設けられている。
このカーネルファイルシステムコンポーネント33は、処理システムのバッファキャッシュ10でオペレーションを実行する。
MemFSスワップドライバ34はカーネルレベル31で実行され、アロケートされているアドレス空間36を有するユーザプロセス35は、ユーザレベル32で実行される。
ユーザ空間デーモン37及びカーネルデーモン38は、それぞれユーザモード32及びカーネルモード31でインプリメントされる。
これらは、ユーザの直接の制御下にあるのではなく、オペレーティングシステムのバックグラウンドで実行されると共に、以下で詳細に説明するように、必要なときにメモリ管理タスクを実行するプロセスである。
本例では、これは、たとえばユーザによって起動されるUnix(登録商標)マウントコマンドラインユーティリティのマウントシステムコールによって実行される。
マウントユーティリティは、バッファキャッシュ10にファイルシステムを作成すると、新しいユーザプロセス35をフォークする(ステップ110)。
このユーザプロセス35のユーザプロセスメモリは、テンポラリファイルを保持するのに使用することができる。
本例では、ユーザプロセス35は、MemFSスワップドライバ34に対してioctlコール39を行い、ioctl関数にある間、バックグラウンドでカーネルデーモン38として実行を続ける。
カーネルデーモン38は、スリープして、ioctl関数における入出力要求を待つ(ステップ120)。
ioctl関数がコールされたとき、マウント時刻にフラグがセットされ、このフラグがセットされている限りioctlルーチンはループし、終了することはない。
フラグは、たとえば、あらゆるマウントインスタンスに関連付けられる構造に記憶されている。
バークレイソフトウェアディストリビューション(BSD)メモリファイルシステム(MFS)は、ドライバのioctlにではなく、そのファイルシステムのマウントルーチンにI/Oサービス提供ループ(I/O servicing loop)を有し、したがって、BSD MFSを使用する実施態様は、それに応じて適合される。
MemFSファイルシステムへのすべてのアクセスは、バッファキャッシュ10を通過する。
このコンテキストにおけるメタデータは、ファイル属性情報を含み、本例では、データファイルごとのinodeの形に加えて、ファイルシステムのスーパーブロック及びシリンダグループの集まりの形で記憶されているファイル属性情報を含む。
ファイルシステムデータ及びメタデータのページが他のプロセスによって盗まれるのを阻止するために、ファイルシステムのバッファアロケーションは、バッファキャッシュ10の標準的なバッファフリーリストに対して別個のMemFSフリーリストに記録される(ステップ140)。
このしきい値は、本例では、バッファキャッシュ10が占有することができる最大メモリサイズの或る割合として定義されるシステムカーネル調整可能なものとしてインプリメントされる。
バッファが割り当てられるごとに、バッファキャッシュ10のMemFSバッファの個数のカウントをこのしきい値に関連して監視することができる。
MemFSスワップ擬似ドライバ34のストラテジールーチン41(図3参照)は、ファイルシステムバッファを別個のバッファリストにリンクすることによって要求にサービスする(ステップ180)。
このリストは、ユーザプロセス35のメモリにコピーする必要があるすべての保留中のバッファを記録する。
また、ストラテジールーチン41は、本例では、標準的なUNIX(登録商標)スリープ/ウェークアップメカニズムを使用して、ウェークアップ42をユーザプロセスデーモンへ送信する(ステップ190)。
ユーザプロセスは、目覚めると、バッファキャッシュファイルシステムバッファからデータを受け取り、このデータは、MemFSスワップ擬似ドライバ34によって、ユーザプロセス35のユーザプロセスメモリへ転送される(ステップ200)。
データバッファのみが、バッファキャッシュ10からユーザプロセスアドレス空間35へ転送される。
これによって、メタデータはバッファキャッシュ10に確実に残り、したがって、メタデータしか関与しないオペレーションは常に高速であることが保証される。
したがって、HP−UXTM等の現代のオペレーティングシステムは仮想メモリ管理システムを作動させ、この仮想メモリ管理システムによって、カーネル21は、データが必要とされないときはデータ及び命令をRAM8からハードディスク9又は外部メモリデバイスへ移動させ、必要なときにデータを戻すことが可能になる。
利用可能な全メモリは仮想メモリと呼ばれ、したがって、物理メモリのサイズを超えることができる。
仮想メモリ空間の一部は物理メモリに対応するアドレスを有する。
仮想メモリ空間の残りは、ハードディスク9及び/又は外部メモリデバイスのアドレスにマッピングされる。
以下では、特に指定のない限り、ハードディスクからRAM8へデータをロードするとの参照はいずれも、他の任意の外部メモリデバイスからRAM8へデータをロードすることも指すものと解釈されるべきである。
バッファキャッシュ10からのデータが、バッファキャッシュ10からユーザプロセス35のアドレス空間へ転送されると、そのデータは、それに応じて、オペレーティングシステムの仮想メモリ管理システムによって制御される。
物理メモリ8に利用可能なメモリが十分にない場合には、使用済みメモリを解放しなければならず、解放されるアドレスに保存されているデータ及び命令は、ハードディスク9へ移動される。
通例、物理メモリから移動されるデータは、しばらくの間使用されていないデータである。
特定のアドレスが物理アドレスに対応している場合には、システムは、対応している物理アドレスのデータにアクセスする。
仮想アドレスが物理アドレスに対応していない場合には、システムは、ハードディスク9からデータを取り出し、そのデータを物理メモリ8に移動させる。
システムは、その後、通常の方法で物理メモリ8のデータにアクセスする。
たとえば、HP−UX(商標)システムでは、ページサイズは4KBである。
したがって、仮想ページは仮想ページ番号VPNによって参照される一方、物理ページは物理ページ番号PPNによって参照される。
必要な場合にのみ仮想メモリをメインメモリに移すプロセスは、デマンドページングと呼ばれる。
さまざまな種類のメモリ及びデータが記憶される場所を管理するために、HP−UX(商標)等のオペレーティングシステムは、ページディレクトリ(PDIR)50と呼ばれるテーブルをメモリに保持する。
PDIR50は、現在メモリにあるすべてのページの経過を追跡する。
ページが或る仮想アドレス空間でマッピングされる時、そのページには、PDIR50のエントリーがアロケートされる。
PDIR50は、メモリの物理ページをその仮想アドレスにリンクするものである。
システムを高速化するために、PDIR50のサブセットがプロセッサ2のTLB5に記憶される。
TLB5は仮想アドレスを物理アドレスに変換する。
したがって、各エントリーは、仮想ページ番号及び物理ページ番号の双方を含む。
物理ページ番号PPNがTLB5で見つかる場合、これはTLBヒットと呼ばれ、プロセッサは、必要なページがメインメモリ8にあることを知る。
次に、ページからの必要なデータを、CPU3によって使用されるキャッシュ4にロードすることができる。
キャッシュコントローラ51は、必要なデータをメモリにロードするプロセスを制御することができる。
キャッシュコントローラ51は、ページがメモリにすでに存在するか否かをチェックする。
ページがメモリに存在しない場合には、キャッシュコントローラ51は、RAM8からデータを取り出して、キャッシュ4に移動させることができる。
必要なページがPDIR5に存在する場合、これはPDIRヒットと呼ばれ、物理ページ番号がTLB5にロードされ、CPU3によってページにアクセスするための命令が再開される。
必要なページが存在しない場合、これは一般にPDIRミスと呼ばれ、これは、必要なページが物理メモリ8に存在せず、ハードディスク9又は外部デバイスからメモリに必要なページを移す必要があることを示す。
ハードディスク9からメインメモリ8にページを移すプロセスは、当該技術分野で既知のように、ソフトウェアページフォールトハンドラ52によって対処され、これに対応して、VPN/PPNエントリーをPDIR50及びTLB5に作成する。
関連のあるページが物理メモリ8にロードされると、CPU3によるアクセスルーチンが再開され、その関連のあるデータをキャッシュ4にロードすることができ、CPU3が使用することができる。
ワイアードページ(wired page)は、PDIR50に永久に存在するページであり、したがって、ハードディスク9にページアウトされない。
PDIR50の特定のページをワイアするためのコマンドインターフェースを作成することができる。
これは、ioctlルーチンが自身のI/Oサービス提供ループを終了することができるように、あらゆる保留中のI/O要求をフラッシュして、ファイルシステムがマウントされたときにセットされた、アンマウントコマンドによってコールされたioctlルーチンのフラグをクリアする。
これによって、ファイルシステムがアンマウントされたことの表示が提供される。
このプログラムコードは、たとえば、バッファキャッシュ10にメモリファイルシステムをインプリメントするためのユーティリティ、たとえば、Unix(登録商標)アーキテクチャによるMemFSファイルシステムユーティリティ33を提供することができる。
また、当業者によって理解されるように、このプログラムコードは、上述したようにバッファキャッシュ10からユーザプロセス仮想メモリ36へデータを転送するようにインプリメントされるMemFSスワップドライバに加えて、メモリ管理システム30の他のコンポーネントを提供することができる。
6・・・バスインターフェース,
9・・・ハードディスク,
10・・・バッファキャッシュ,
11・・・I/O,
31・・・カーネルモード,
32・・・ユーザモード,
33・・・MemFSファイルシステム,
34・・・MemFSスワップドライバ,
35・・・ユーザプロセス,
36・・・アドレス空間,
37・・・ユーザ空間デーモン,
38・・・カーネルデーモン,
40・・・ファイルシステムコール,
41・・・MemFSスワップストラテジールーチン,
42・・・ウェークアップ,
51・・・キャッシュコントローラ,
52・・・ページフォールトハンドラ,
Claims (17)
- コンピューティングデバイスにデータを記憶する方法であって、
前記コンピューティングデバイスのコンピュータに、
前記コンピューティングデバイスのページング不能カーネルメモリ上に、前記コンピューティングデバイスにおいて予め定められたコマンドを用いて、メモリファイルシステムを作成するステップと、
前記メモリファイルシステムが作成された前記カーネルメモリに、前記コンピューティングデバイスで用いられるデータを記憶させるステップと、
前記カーネルメモリに記憶されたデータを、前記コンピューティングデバイス上で実行されているユーザプロセスに割り当てられたページング可能メモリ空間へ転送するステップと
を実行させ、
前記データは、前記メモリファイルシステムの属性情報を示すメタデータを含み、
前記転送するステップは、前記カーネルメモリに記憶されたデータのうち、前記メタデータ以外のデータを、前記ユーザプロセスに割り当てられたページング可能メモリ空間へ転送する
方法。 - 前記メタデータは、スーパーブロック、シリンダグループまたはinodeデータ
を含む請求項1に記載の方法。 - 前記コンピュータに、
前記コンピューティングデバイスにおいて予め定められたコマンドを用いて、前記ユーザプロセスを生成し、前記生成したユーザプロセスに対して、前記ページング可能メモリ空間を割り当てるステップ
をさらに実行させる請求項1に記載の方法。 - 前記メモリファイルシステムを作成するステップは、
バッファキャッシュによって占有されるメモリ上に、UNIX(登録商標)ファイルシステムを作成する
請求項1に記載の方法。 - 前記メモリファイルシステムを作成するステップは、
MemFSマウントコマンドを使用して、UNIX(登録商標)ファイルシステムを作成する
請求項1に記載の方法。 - 前記バッファキャッシュメモリの他の部分の使用データとは別個の前記メモリファイルシステムに関する前記使用データを保持すること
をさらに含む請求項4に記載の方法。 - 前記ページング可能メモリ空間へ転送された前記メモリファイルシステムのデータファイルのマッピングを保持すること
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記メモリファイルシステムが生成された前記カーネルメモリに記憶されているデータが所定のしきい値に達することに応答して、前記記憶されたデータを、前記ページング可能メモリ空間へ転送すること
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記記憶されたデータを前記ページング可能メモリ空間へ転送するステップは、
このデータが、前記メモリファイルシステムの複数の最長時間未使用ページのうちの1つを含むときに実行される
請求項1に記載の方法。 - 前記データが、前記ページング可能メモリ空間へ転送されると、このデータのページングを阻止すること
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記メモリファイルシステムを、前記ページング不能カーネルメモリから除去すること
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記データは、テンポラリファイルデータ
を含む請求項1に記載の方法。 - コンピューティングデバイスにデータを記憶させるプログラムであって、
前記コンピューティングデバイスのコンピュータに、
前記コンピューティングデバイスのページング不能カーネルメモリ上に、前記コンピューティングデバイスにおいて予め定められたコマンドを用いて、メモリファイルシステムを作成するステップと、
前記メモリファイルシステムが作成された前記カーネルメモリに、前記コンピューティングデバイスで用いられるデータを記憶させるステップと、
前記カーネルメモリに記憶されたデータを、前記コンピューティングデバイス上で実行されているユーザプロセスに割り当てられたページング可能メモリ空間へ転送するステップと
を実行させ、
前記データは、前記メモリファイルシステムの属性情報を示すメタデータを含み、
前記転送するステップは、前記カーネルメモリに記憶されたデータのうち、前記メタデータ以外のデータを、前記ユーザプロセスに割り当てられたページング可能メモリ空間へ転送する
プログラム。 - 前記メモリファイルシステムを作成するステップは、
バッファキャッシュによって占有されるメモリ上に、UNIX(登録商標)ファイルシステムを作成する
請求項13に記載のプログラム。 - 前記メモリファイルシステムが生成された前記カーネルメモリに記憶されているデータが所定のしきい値に達することに応答して、前記記憶されたデータを、前記ページング可能メモリ空間へ転送すること
をさらに含む請求項13に記載のプログラム。 - 前記記憶されたデータを前記ページング可能メモリ空間へ転送するステップは、
このデータが、前記メモリファイルシステムの複数の最長時間未使用ページのうちの1つを含むときに実行される
請求項13に記載のプログラム。 - 前記データが前記ページング可能メモリ空間へ転送されると、このデータのページングを阻止すること
をさらに含む請求項13に記載のプログラム。
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