虚拟机环境下动态Cache划分技术研究与实现

发布时间：2020-08-18 18:04

【摘要】：近年来,以共享片内Cache为特征的片上多处理器( Chip of Multiprocessors,CMPs)架构已被广泛应用于桌面计算机。服务器平台上,对提高计算机系统的性能起到了巨大的推动作用。借助虚拟化技术,多个用户能够充分共享CMP中集成的丰富计算资源,而且随着x86架构虚拟化的突破,虚拟化技术已被广泛应用于服务器整合。安全计算平台。内核调试与开发等多个领域。然而,现有的虚拟化系统多针对对称多处理器(Symmetric Multiprocessrors,SMPs)架构设计,移植到CMP架构后,多个虚拟机竞争共享缓存的问题变得非常严重,严重影响了整个系统的性能。因此,在虚拟化系统中,如何避免多个虚拟机之间的共享缓存竞争问题,充分发挥出CMP处理器架构的优势,已成为摆在研究者面前的一项新课题。现有的工作多采用静态Cache划分的方法来隔离多个虚拟机之间的共享缓存竞争。该方法存在很严重的缺点,即需要在虚拟机启动前手动分配Cache大小,并且该方法只能被动地实现性能隔离,无法主动利用程序的运行时特征来提高性能。本文在广泛深入研究虚拟机环境下二级缓存对应用程序影响的基础上,探索并提出了在CMP处理器平台下实现虚拟机动态Cache划分系统的方法,并取得了以下研究成果: (1)提出了虚拟机环境下面向二级缓存的应用程序运行时特征分类方法。以SPEC CPU2006程序集为例,研究了应用程序工作集与处理器缓存之间的关系,结合程序测试结果,依据程序的静态特征将其分为Cache敏感型。Cache污染型和Cache无关型三类;通过进一步研究程序运行时二级缓存失效率的变化,按程序的运行时特征将其分为颠簸型程序和平缓型程序两类。该分类方法为虚拟机环境下动态Cache划分算法的设计提供了理论依据。 (2)设计并实现了虚拟机环境下动态Cache划分算法。该算法采用页面着色思想,通过约束虚拟机所能够访问的内存页面来实现Cache的隔离,并且能够依据程序对Cache的需求动态地调整虚拟机之间的Cache比例,在实现Cache隔离的同时提高虚拟化系统的性能。我们在Xen虚拟化系统上实现了该动态Cache划分算法,并以SPEC CPU2006为基础构建工作负载进行性能测试。实验结果表明,采用动态Cache划分方法后,系统性能比未划分情况下最高提高了5%,在颠簸型程序负载下,系统性能比静态Cache划分系统提高了7%。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP332
【图文】：

失效率,测试程序,程序性能

图 3.2 CINT2006 测试程序 L2 Cache 失效率图 3.3 CFP2006 测试程序 L2 Cache 失效率实验中采集的数据，无论是程序性能的提升，还是 L2 Cache 失效率，都是程

失效率,测试程序,缓存

第 26 页图 3.3 CFP2006 测试程序 L2 Cache 失效率实验中采集的数据，无论是程序性能的提升，还是 L2 Cache 失效率，都是程行完毕后总的统计结果，可以称之为程序的静态特征考虑程序工作集与 CP缓存大小之间的关系，可以将应用程序分为以下三种：（1）Cache 敏感型程序：如果程序的工作集同处理器的二级缓存大小相差不则减小二级缓存肯定会降低此类程序的性能，我们称之为具有 Cache 敏感型的特征；（2）Cache 污染型程序：如果程序的工作集远大于处理器的二级缓存，比如几十甚至几百 MB，此时减小二级缓存的大小对它影响不大这类程序还有一重要的特点，由于它极差的局部性特征，使得在执行过程中会不断地进行

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国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文he 块的替换，这样就很可能挤掉其他程序的有用数据，导致其他程序性能降，具有这类特点的程序就是我们称之为 Cache 污染型程序；（3）Cache 无关型程序：这类程序的工作集远小于处理器二级缓存的大小，只有几百 KB，减少二级缓存的大小不会对程序带来很大的影响而且，由于局部性很好，也不会影响其他程序的性能，称之为 Cache 无关型程序

【共引文献】