Documentation/translations/zh_CN/mm/damon/design.rst - linux - Git at Google

 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0

 :Original: Documentation/mm/damon/design.rst

 :翻译:

  司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>

 :校译:


 ====
 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
 ==========================

 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
 -------------------------

 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
 ========================

 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
 ------------

 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
 --------------------

 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。
	.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0

	:Original: Documentation/mm/damon/design.rst

	:翻译:

	司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>

	:校译:


	====
	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
	==========================

	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
	-------------------------

	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
	========================

	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
	------------

	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
	--------------------

	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。