리눅스 기반 시스템의 페이지 초기화 지연 단축을 위한 향상된 캐시-핫 페이지 할당 기법

Abstract

최근 사용자 대화형(user-interactive) 응용들은 OS에게 많은 양의 메모리를 빈번하게 요구한다는 특징을 보인다. 응용의 메모리 할당 요청이 발생하면 OS는 페이지 단위로 메모리 공간을 할당하는데, 이 때 OS는 할당할 페이지의 초기화 작업을 필수적으로 수행한다. 페이지 할당을 빈번하게 시도하는 사용자 대화형 응용에서 이 페이지 초기화 작업의 지연이 응용의 성능을 저하시키는 원인이 되고 있다. 기존 리눅스 기반 시스템은 이러한 페이지 초기화 지연을 단축하기 위해, CPU의 캐시에 매핑되어 페이지 초기화시 빠르게 접근할 수 있는 페이지인 캐시-핫 페이지를 우선적으로 할당한다. 하지만 기존 리눅스는 CPU의 사유 캐시(private cache)에 매핑된 캐시-핫 페이지만을 고려하며, 공유 캐시(shared cache)에 매핑된 캐시-핫 페이지를 활용하지 못한다. 이 때문에 사유 캐시에 매핑된 캐시-핫 페이지가 존재하지 않는 경우 공유 캐시에 매핑된 캐시-핫 페이지가 시스템에 존재하더라도 캐시-콜드 페이지를 할당받는 경우가 발생한다. 본 논문에서는 사유 캐시와 공유 캐시에 매핑된 캐시-핫 페이지를 모두 고려하여, 응용이 캐시-핫 페이지를 할당받을 확률을 기존 기법보다 높이는 향상된 캐시-핫 페이지 할당 기법을 제안한다. 제안된 기법은 페이지 할당 요청이 발생하면 먼저 각 코어의 사유 캐시에 매핑된 캐시-핫 페이지를 우선적으로 할당한다. 만약 사유 캐시에 매핑된 캐시-핫 페이지가 없다면 캐시-콜드 페이지를 할당받는 대신 공유 캐시에 매핑된 캐시-핫 페이지를 할당한다. 이를 통해 캐시-핫 페이지를 할당받을 확률을 기존 기법보다 높이고, 결과적으로 평균 페이지 초기화 지연을 단축한다. 제안된 기법을 리눅스 커널 4.18.10버전 기반 데스크탑 환경에서 구현하여 실험한 결과, 평균 페이지 초기화 지연이 기존 리눅스 시스템과 비교하여 약 7% 단축되었다.

Recently, user-interactive applications frequently request large amount of memory space to OS. When an application requests memory allocation, the OS allocates memory space in units of pages. In this case, the OS essentially performs the page initialization on the page which is to be allocated. In a user-interactive application that frequently requests to allocated pages, the latency of this page initialization causes the performance degradation of application. Legacy Linux kernel preferentially allocate a cache-hot page, which is a page that is mapped to CPUs cache. This cache-hot page can be accessed with short latency when page initialization. However, legacy Linux kernel only considers cache-hot pages which mapped to CPUs private cache and does not utilize the cache-hot pages which mapped to shared cache. For this reason, if there is no cache-hot page which mapped to private cache, kernel allocates cache-cold page while there are cache-hot pages which mapped to shared cache. In this paper, we propose an improved cache-hot page allocation method that improves the probability of cache-hot page allocation than the legacy Linux kernel, considering both cache-hot pages mapped to private and shared cache. The proposed method first allocates cache-hot pages mapped to each cores private cache when a page allocation request occurs. If there is no cache-hot page mapped to private cache, this method tries to allocate cache-hot page which mapped to shared cache instead of allocating cache-cold page. This increases the probability that the cache-hot pages are allocated higher than the legacy Linux kernel, and consequently reduce the average page initialization latency. We implemented proposed method on desktop environment based on Linux kernel 4.18.10. Experimental results show that the average page initialization latency is reduced by about 7% compared to legacy Linux kernel.