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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
:Original: Documentation/vm/damon/design.rst
:翻译:
司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>
:校译:
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设计
====
可配置的层
==========
DAMON提供了数据访问监控功能，同时使其准确性和开销可控。基本的访问监控需要依赖于目标地址空间
并为之优化的基元。另一方面，作为DAMON的核心，准确性和开销的权衡机制是在纯逻辑空间中。DAMON
将这两部分分离在不同的层中，并定义了它的接口，以允许各种低层次的基元实现与核心逻辑的配置。
由于这种分离的设计和可配置的接口，用户可以通过配置核心逻辑和适当的低级基元实现来扩展DAMON的
任何地址空间。如果没有提供合适的，用户可以自己实现基元。
例如，物理内存、虚拟内存、交换空间、那些特定的进程、NUMA节点、文件和支持的内存设备将被支持。
另外，如果某些架构或设备支持特殊的优化访问检查基元，这些基元将很容易被配置。
特定地址空间基元的参考实现
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基本访问监测的低级基元被定义为两部分。:
1. 确定地址空间的监测目标地址范围
2. 目标空间中特定地址范围的访问检查。
DAMON目前为物理和虚拟地址空间提供了基元的实现。下面两个小节描述了这些工作的方式。
基于VMA的目标地址范围构造
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这仅仅是针对虚拟地址空间基元的实现。对于物理地址空间，只是要求用户手动设置监控目标地址范围。
在进程的超级巨大的虚拟地址空间中，只有小部分被映射到物理内存并被访问。因此，跟踪未映射的地
址区域只是一种浪费。然而，由于DAMON可以使用自适应区域调整机制来处理一定程度的噪声，所以严
格来说，跟踪每一个映射并不是必须的，但在某些情况下甚至会产生很高的开销。也就是说，监测目标
内部过于巨大的未映射区域应该被移除，以不占用自适应机制的时间。
出于这个原因，这个实现将复杂的映射转换为三个不同的区域，覆盖地址空间的每个映射区域。这三个
区域之间的两个空隙是给定地址空间中两个最大的未映射区域。这两个最大的未映射区域是堆和最上面
的mmap()区域之间的间隙，以及在大多数情况下最下面的mmap()区域和堆之间的间隙。因为这些间隙
在通常的地址空间中是异常巨大的，排除这些间隙就足以做出合理的权衡。下面详细说明了这一点::
<heap>
<BIG UNMAPPED REGION 1>
<uppermost mmap()-ed region>
(small mmap()-ed regions and munmap()-ed regions)
<lowermost mmap()-ed region>
<BIG UNMAPPED REGION 2>
<stack>
基于PTE访问位的访问检查
-----------------------
物理和虚拟地址空间的实现都使用PTE Accessed-bit进行基本访问检查。唯一的区别在于从地址中
找到相关的PTE访问位的方式。虚拟地址的实现是为该地址的目标任务查找页表，而物理地址的实现则
是查找与该地址有映射关系的每一个页表。通过这种方式，实现者找到并清除下一个采样目标地址的位，
并检查该位是否在一个采样周期后再次设置。这可能会干扰其他使用访问位的内核子系统，即空闲页跟
踪和回收逻辑。为了避免这种干扰，DAMON使其与空闲页面跟踪相互排斥，并使用 ``PG_idle`` 和
``PG_young`` 页面标志来解决与回收逻辑的冲突，就像空闲页面跟踪那样。
独立于地址空间的核心机制
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下面四个部分分别描述了DAMON的核心机制和五个监测属性，即 ``采样间隔`` 、 ``聚集间隔`` 、
``更新间隔`` 、 ``最小区域数`` 和 ``最大区域数`` 。
访问频率监测
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DAMON的输出显示了在给定的时间内哪些页面的访问频率是多少。访问频率的分辨率是通过设置
``采样间隔`` 和 ``聚集间隔`` 来控制的。详细地说，DAMON检查每个 ``采样间隔`` 对每
个页面的访问，并将结果汇总。换句话说，计算每个页面的访问次数。在每个 ``聚合间隔`` 过
去后，DAMON调用先前由用户注册的回调函数，以便用户可以阅读聚合的结果，然后再清除这些结
果。这可以用以下简单的伪代码来描述::
while monitoring_on:
for page in monitoring_target:
if accessed(page):
nr_accesses[page] += 1
if time() % aggregation_interval == 0:
for callback in user_registered_callbacks:
callback(monitoring_target, nr_accesses)
for page in monitoring_target:
nr_accesses[page] = 0
sleep(sampling interval)
这种机制的监测开销将随着目标工作负载规模的增长而任意增加。
基于区域的抽样调查
------------------
为了避免开销的无限制增加，DAMON将假定具有相同访问频率的相邻页面归入一个区域。只要保持
这个假设（一个区域内的页面具有相同的访问频率），该区域内就只需要检查一个页面。因此，对
于每个 ``采样间隔`` ，DAMON在每个区域中随机挑选一个页面，等待一个 ``采样间隔`` ，检
查该页面是否同时被访问，如果被访问则增加该区域的访问频率。因此，监测开销是可以通过设置
区域的数量来控制的。DAMON允许用户设置最小和最大的区域数量来进行权衡。
然而，如果假设没有得到保证，这个方案就不能保持输出的质量。
适应性区域调整
--------------
即使最初的监测目标区域被很好地构建以满足假设（同一区域内的页面具有相似的访问频率），数
据访问模式也会被动态地改变。这将导致监测质量下降。为了尽可能地保持假设，DAMON根据每个
区域的访问频率自适应地进行合并和拆分。
对于每个 ``聚集区间`` ，它比较相邻区域的访问频率，如果频率差异较小，就合并这些区域。
然后，在它报告并清除每个区域的聚合接入频率后，如果区域总数不超过用户指定的最大区域数，
它将每个区域拆分为两个或三个区域。
通过这种方式，DAMON提供了其最佳的质量和最小的开销，同时保持了用户为其权衡设定的界限。
动态目标空间更新处理
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监测目标地址范围可以动态改变。例如，虚拟内存可以动态地被映射和解映射。物理内存可以被
热插拔。
由于在某些情况下变化可能相当频繁，DAMON允许监控操作检查动态变化，包括内存映射变化，
并仅在用户指定的时间间隔（ ``更新间隔`` ）中的每个时间段，将其应用于监控操作相关的
数据结构，如抽象的监控目标内存区。
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