[发明专利]页交换方法、装置和电子设备

说明书

本公开实施例公开了页交换方法、装置和电子设备。在本公开描述的页交换方法中，可以通过以下方式减少混合存储结构的换出开销：(1)使用每线程页表和TLB击落操作来跟踪页面映射缓存并减少TLB击落开销；(2)通过操作系统内核和具有垃圾收集和轻量级并发的编程语言运行时，将换出视为具有垃圾收集和轻量级并发的编程语言运行时调度的轻量级线程，以异步执行换出。

技术领域

本公开涉及计算机技术领域，具体涉及页交换方法、装置和电子设备。

背景技术

当前，数据中心应用的内存消耗不断增加。鉴于单个服务器可以容纳的动态随机存取存储器(DRAM)容量有限，内存密集型应用程序(例如，数据分析系统、图形处理系统以及内存缓存系统和数据库)面临着巨大的内存压力。内核交换(kernel swapping)可以通过将非活动页换出(page-out)到高性能固态硬盘(SSD)和远端内存来缓解这种压力。在内核从交换空间(swap space)换入(swap-in)页面前，内核首先要进行页换出为换入的页面腾出空间。然而，页换出是一个位于关键路径上的、扩展性差、且重量级的操作。

当前的内核交换系统(kernel swap system)是为磁盘(HDD)用作交换设备(swapdevices)并且磁盘访问速度慢的传统场景而设计的。应用程序不能频繁交换到磁盘以避免不可接受的性能下降。然而，这种假设在混合存储架构设置下并不成立，因为与传统HDD/SSD相比，非易失性存储器(NVM)提供了更高的读/写带宽和更低的随机访问延迟。因此，应用程序在混合内存下的交换吞吐量可以比交换到磁盘上高数个数量级。例如，如果在混合存储器上运行某种逻辑回归测试，则其中25％的工作集位于DRAM端，75％的工作集位于NVM端。实验结果表明，在运行中每个CPU核心每100us就会产生一次主要缺页错误(Major pagefault)。高频换入伴随着高频换出，以为新换入的页面腾出空间。

换出是操作系统内核缺页错误处理路径中的一项重量级任务。每次换出首先通过扫描内核LRU(Least Recently Used，最近最少使用)活动/非活动页面列表选择受害者物理页面，然后通过反向映射搜索引用受害者物理页面的页表项(Page table entry，PTE)，最后向所有在线CPU核心发送处理器间中断(Inter-Processor Interrupt，IPI)广播以击落转换查找缓冲区(Translation Lookup Buffer，TLB)，将页面写出到NVM等。这一系列复杂的过程会引入很高的计算开销。此外，发送和响应IPI的成本随着在线CPU核心的数量而增加，导致严重的可扩展性问题。频繁的TLB击落和刷新也会增加TLB未命中(TLB miss)率并损害应用程序性能。

发明内容

为了解决现有术中的问题，本公开实施例提供混合存储架构的轻量级页交换方法、装置和电子设备，通过使用每线程页表来解决页换出操作中的TLB击落的可扩展性问题，并且可以降低页换出过程的计算开销。

第一方面，本公开实施例中提供了一种页交换方法，其中，所述方法包括：

为第一类型线程分配每线程页表，以记录所述第一类型线程本地访问的页面的页面映射；

为所述第一类型线程所属的进程分配全局页表以记录所述进程中的线程访问的页面的页面映射；

在进行页交换时执行缺页处理的情况下，检测所述全局页表的页表项在所述全局页表中的共享状态，其中，所述全局页表中的页表项附有CPU核心位图，以跟踪在转换查找缓冲区中缓存所述页表项的所有CPU核心，从而确定页表项的共享状态；

根据检测到的所述全局页表的页表项在所述全局页表中的共享状态，基于所述缺页处理所涉及的每线程页表和全局页表，对调度所述缺页处理所涉及的线程的CPU核心的转换查找缓冲区执行击落处理。