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虚拟机监控器内存管理机制研究与实现

作　者: 李勇
导　师: 郭玉东
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 虚拟化 虚拟机监控器 内存管理 内存虚拟化 扩展页表
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


虚拟化计算系统提供了一种动态组织计算资源的手段,能够消除硬件体系结构和软件系统之间的依赖关系,构建出满足多种应用需求的计算环境,提高计算资源的使用效率。虚拟化技术已经成为未来计算机技术的一个重要的发展方向,虚拟机监控器(VMM)是实施虚拟化的基础。内存作为计算机系统中最为重要的资源之一,在虚拟化系统中存在两方面问题。第一:内存在使用过程中往往面临着数量紧张和效率低下;第二:VMM需要向客户机提供与裸机无差别的运行环境,保证客户机能够以原有方式完成对内存的探测与管理。因此VMM需要提供一种合理而高效的机制,解决系统内存在上述两个方面的问题。本文在一种协作型VMM框架下,针对该模型中的内存管理需求,设计并实现了多种内存管理器,避免了上述两种内存管理方式的缺陷。本文主要解决了四个方面的问题:1、现有各种内存管理方式难以协作型VMM的特殊需求,本文采用了分区管理方式,实现双系统在内存资源方面的隔离及交互。2、buddy算法在页块合并方式上存在局限性,容易产生碎片,本文采用了任意相邻内存块可合并的方式,减少了小内存块数量,提高大内存块的分配效率。3、SLAB分配器存在一定的不足,本文采用了改进的SLAB内核内存管理,通过创建一个专用的管理结构,减少VMM与IOPM通信过程中的内存浪费。4、本文实现了基于影子页表与扩展页表的两种内存虚拟化方案,并采用了动态的内存调整机制,有效地提高了内存利用率。本文在VMM原型系统中设计并实现了物理内存管理器、内核内存管理器及内存虚拟化,并针对效率对内存管理策略进行了测试。实验结果表明,本文完成的相关工作可以满足协作型VMM对内存的各种需求,在常规内存管理及内存虚拟化方面具备较高的效率。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章 绪论  12-18
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 虚拟化研究现状  13-15
  1.3 课题来源与研究内容  15
  1.4 论文组织结构  15-18
第二章 VMM内存管理技术研究  18-28
  2.1 内存虚拟化技术研究  18-22
    2.1.1 内存虚拟化概述  18-19
    2.1.2 纯软件内存虚拟化机制研究  19-21
    2.1.3 硬件辅助内存虚拟化机制研究  21-22
  2.2 虚拟化中的内存管理技术研究  22-25
    2.2.1 物理内存管理技术研究  22-24
    2.2.2 虚拟内存管理机制研究  24-25
  2.3 X86 下的内存管理机制研究  25-27
    2.3.1 分段机制  25-26
    2.3.2 分页机制  26-27
    2.3.3 TLB机制  27
  2.4 本章小结  27-28
第三章 VMM内存管理模型设计  28-34
  3.1 协作型VMM结构及其特征  28-29
  3.2 协作型VMM内存管理需求分析  29-30
  3.3 Linux内存管理模型分析  30-31
  3.4 两种典型的VMM内存管理模型分析  31
    3.4.1 Xen内存管理模型分析  31
    3.4.2 KVM内存管理模型分析  31
  3.5 协作型VMM内存管理模型设计  31-32
  3.6 关键问题分析  32-33
  3.7 本章小结  33-34
第四章 物理内存管理设计与实现  34-46
  4.1 协作型VMM对物理内存管理的影响  34
  4.2 基于主体分配的物理内存划分  34-36
    4.2.1 物理内存探测  34-35
    4.2.2 VMM—IOPM内存划分  35-36
  4.3 基于buddy算法的物理内存管理缺陷及改进  36-37
    4.3.1 buddy算法分析  36
    4.3.2 buddy算法缺陷  36-37
    4.3.3 buddy缺陷的消除  37
  4.4 基于s-buddy算法的内存管理  37-43
    4.4.1 基本管理结构  37-40
    4.4.2 基于s-buddy算法的物理内存分配  40-41
    4.4.3 基于s-buddy算法的物理内存释放  41-43
    4.4.4 内存页回收  43
  4.5 内存访问  43-45
  4.6 本章小结  45-46
第五章 内核内存管理设计与实现  46-54
  5.1 协作型VMM对内核内存管理需求  46
  5.2 SLAB分配器不足及改进  46-48
    5.2.1 SLAB分配器分析  46-47
    5.2.2 SLAB分配器不足  47-48
    5.2.3 SLAB分配器改进  48
  5.3 基于改进的SLAB内核内存管理  48-53
    5.3.1 基本管理结构  48-50
    5.3.2 改进的cache的创建与销毁  50-51
    5.3.3 改进的slab的创建与释放  51
    5.3.4 改进的对象的分配与释放  51-53
    5.3.5 通信专用cache的创建  53
  5.4 本章小结  53-54
第六章 内存虚拟化设计与实现  54-66
  6.1 VMM内存虚拟化中的关键问题  54-55
  6.2 基于影子页表的内存虚拟化设计与实现  55-59
    6.2.1 影子页表机制  55-56
    6.2.2 基于影子页表的内存虚拟化实现  56-59
  6.3 基于EPT的内存虚拟化设计与实现  59-64
    6.3.1 EPT机制  59-60
    6.3.2 基于EPT的内存虚拟化实现  60-64
  6.4 影子页表与EPT两种机制对比  64
  6.5 本章小结  64-66
第七章 测试与分析  66-72
  7.1 s-buddy算法性能测试  66-67
    7.1.1 测试依据  66
    7.1.2 测试环境  66
    7.1.3 测试用例  66-67
    7.1.4 测试结果分析  67
  7.2 VMM内核内存管理对通信的影响测试  67-68
    7.2.1 测试目的  67-68
    7.2.2 测试环境  68
    7.2.3 测试用例及分析  68
  7.3 影子页表与EPT性能测试  68-71
    7.3.1 测试环境  68-69
    7.3.2 VCPU数对性能的影响  69-70
    7.3.3 客户机数对性能的影响  70-71
    7.3.4 结论  71
  7.4 本章小结  71-72
结束语  72-74
参考文献  74-76
作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 计算机仿真
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