4 Quando liberare una pagina

Poiché il sistema della VM usa tutta la memoria disponibile per il caching del disco, in genere ci sono pochissime pagine veramente libere. Il sistema della VM dipende dalla possibilità di scegliere in maniera appropriata le pagine che non sono in uso per riusarle in nuove allocazioni. Selezionare le pagine ottimali da liberare è forse la funzione singola più importante che possa essere eseguita da una VM perché se si effettua una selezione non accurata, il sistema della VM può essere forzato a recuperare pagine dal disco in modo non necessari, degradando seriamente le prestazioni del sistema.

Quanto sovraccarico siamo disposti a sopportare nel percorso critico per evitare di liberare la pagina sbagliata? Ogni scelta sbagliata che facciamo ci costerà centinaia di migliaia di cicli di CPU ed uno stallo percettibile nei processi coinvolti, dunque permettiamo un sovraccarico significativo in modo da poter avere la certezza che la pagina scelta sia quella giusta. Questo è il motivo per cui FreeBSD tende ad avere prestazioni migliori di altri sistemi quando le risorse di memoria vengono stressate.

L'algoritmo di determinazione della pagina da liberare è costruito su una storia di uso delle pagine di memoria. Per acquisire tale storia, il sistema si avvantaggia di una caratteristica della maggior parte dell'hardware moderno, il bit che indica l'attività di una pagina (page-used bit).

In qualsiasi caso, il page-used bit viene azzerato e in un momento seguente il sistema della VM passa di nuovo sulla pagina e vede che il page-used bit è stato di nuovo attivato. Questo indica che la pagina viene ancora usata attivamente. Il bit ancora disattivato è un indice che quella pagina non viene usata attivamente. Controllando questo bit periodicamente, viene sviluppata una storia d'uso (in forma di contatore) per la pagina fisica. Quando il sistema della VM avrà bisogno di liberare delle pagine, controllare questa storia diventa la pietra angolare nella determinazione del candidato migliore come pagina da riutilizzare.

E se l'hardware non ha un page-used bit? Per quelle piattaforme che non hanno questa caratteristica, il sistema in effetti emula un page-used bit. Esso elimina la mappatura di una pagina, o la protegge, forzando un page fault se c'è un accesso successivo alla pagina. Quando avviene il page fault, il sistema segnala semplicemente la pagina come usata e la sprotegge in maniera che possa essere usata. Mentre prendere tale page fault solo per determinare se una pagina è in uso può apparire una scelta costosa, in realtà essa lo è molto meno che riusare la pagina per altri scopi, per dover poi scoprire che un processo ne aveva ancora bisogno e dovere andare a cercarla di nuovo su disco.

FreeBSD fa uso di parecchie code per le pagine per raffinare ulteriormente la selezione delle pagine da riutilizzare, come anche per determinare quando le pagine sporche devono essere spostate dalla memoria e immagazzinate da qualche parte. Poiché le tabelle delle pagine sono entità dinamiche in FreeBSD, non costa praticamente nulla eliminare la mappatura di una pagina dallo spazio di indirizzamento di un qualsiasi processo che la stia usando. Quando una pagina candidata è stata scelta sulla base del contatore d'uso, questo è esattamente quello che viene fatto. Il sistema deve effettuare una distinzione tra pagine pulite che possono essere teoricamente liberate in qualsiasi momento, e pagine sporche che devono prima essere scritte (salvate) per poter essere riutilizzabili. Quando una pagina candidata viene trovata viene spostata nella coda delle pagine inattive, se è una pagina sporca, o nella coda di cache se è pulita. Un algoritmo separato basato su un rapporto sporche/pulite determina quando le pagine sporche nella coda inattiva devono essere scritte su disco. Una volta che è stato fatto questo, le pagine ormai salvate vengono spostate dalla coda delle inattive alla coda di cache. A questo punto, le pagine nella coda di cache possono ancora essere riattivate da un VM fault ad un costo relativamente basso. Ad ogni modo, le pagine nella coda di cache vengono considerate “immediatamente liberabili” e verranno riutilizzate con un metodo LRU (least-recently used [1]) quando il sistema avrà bisogno di allocare nuova memoria.

È importante notare che il sistema della VM di FreeBSD tenta di separare pagine pulite e sporche per l'espressa ragione di evitare scritture non necessarie di pagine sporche (che divorano banda di I/O), e non sposta le pagine tra le varie code gratuitamente quando il sottosistema non viene stressato. Questo è il motivo per cui dando un systat -vm vedrai sistemi con contatori della coda di cache bassi e contatori della coda delle pagine attive molto alti. Quando il sistema della VM diviene maggiormente stressato, esso fa un grande sforzo per mantenere le varie code delle pagine ai livelli determinati come più efficenti. Per anni è circolata la leggenda urbana che Linux facesse un lavoro migliore di FreeBSD nell'evitare gli swapout, ma in pratica questo non è vero. Quello che stava effettivamente accadendo era che FreeBSD stava salvando le pagine inutilizzate proattivamente per fare spazio mentre Linux stava mantendendo le pagine inutilizzate lasciando meno memoria disponibile per la cache e le pagine dei processi. Non so se questo sia vero ancora oggi.