Cách Chụp Nhanh Một Đoạn Địa Chỉ Bộ Nhớ Cụ Thể

Anonymous trong Xử Lý Sự Cố và Hướng Dẫn

2011-01-01 Khoảng 700 từ 3 phút

Bối cảnh bài toán xuất phát từ nhu cầu tôi muốn lưu trữ trạng thái máy ảo Lua một cách bền vững, nhưng lại không muốn dừng toàn bộ hệ thống lại (stop the world). Điều này đòi hỏi phải sử dụng chức năng của hệ điều hành để chụp nhanh trạng thái bộ nhớ. Cách đơn giản là dùng fork để tạo bản chụp, tuy nhiên phương pháp này sẽ lưu lại toàn bộ không gian địa chỉ của tiến trình, điều mà tôi không mong muốn.

Trong hai ngày qua, tôi đã trao đổi với một số đồng nghiệp về các phương án khả dĩ như: sử dụng memcpy, fork rồi truyền file descriptor của shm_open qua exec, hoặc fork xong rồi munmap các vùng không cần dùng đến. Sau khi phân tích kỹ lưỡng, tôi cho rằng phương án sau đây là tối ưu nhất. Tuy nhiên tôi chưa tiến hành triển khai thực tế, chỉ ghi lại đây như một tư liệu

Các bước thực hiện cụ thể:

Khởi tạo ban đầu:
Khi bắt đầu khởi động tiến trình chính, hãy dùng mmap để thiết lập trước vùng nhớ cần chụp nhanh. Đánh dấu vùng nhớ này với cờ MAP_SHARED. Lúc này, tiến trình con sẽ ở trạng thái “sạch” (chưa bị sửa đổi) và chiếm rất ít bộ nhớ vật lý. Cho phép tiến trình con này ngủ chờ lệnh (sleeping process).
Khởi tạo Lua state:
Trong tiến trình chính, tạo lua_State với hàm alloc tùy chỉnh trỏ vào vùng nhớ đã mmap sẵn. Tuy nhiên cần đảm bảo rằng kích thước vùng nhớ đã dự phòng phải lớn hơn hoặc bằng lượng bộ nhớ tối đa mà Lua state có thể tiêu tốn.
Gửi lệnh chụp nhanh:
Khi tiến trình chính muốn chụp trạng thái Lua, hãy đánh thức tiến trình con đang chờ. Tiến trình con sau đó thực hiện fork, đồng thời gọi minherit để thay đổi thuộc tính vùng nhớ mmap từ MAP_SHARED sang MAP_PRIVATE. Đến đây, bản chụp đã hoàn tất.
Thực hiện lưu trữ bền vững:
Tiến trình chụp nhanh (con của tiến trình con) có thể truy cập con trỏ lua_State trong vùng nhớ đã chụp và thực hiện các công việc serialize/dump dữ liệu ra ổ cứng hoặc thiết bị lưu trữ khác một cách an toàn.

Chú ý quan trọng:

Cần thiết lập một cơ chế khóa (lock) để đảm bảo tiến trình chính phải đợi cho đến khi tiến trình lưu trữ xong việc chuyển đổi thuộc tính minherit. Điều này giúp xác định chính xác thời điểm chụp nhanh.

Ưu điểm của phương án:

Hiệu quả với trường hợp Lua state chỉ chiếm một phần nhỏ trong không gian dữ liệu của tiến trình chính.
Tránh việc sao chép hàng loạt các trang bộ nhớ không cần thiết khi dùng fork thông thường.
Thời gian thực hiện lâu hơn so với fork, nhưng tiết kiệm tài nguyên hệ thống trong trường hợp cần lưu trữ kéo dài.

Các phương án thay thế tiềm năng:
Nếu toàn bộ hệ thống do bạn thiết kế, có thể fork rồi gọi munmap để loại bỏ các vùng dữ liệu rõ ràng không cần thiết. Tuy nhiên điều này đòi hỏi phải hiểu rõ cấu trúc của các mô-đun khác trong tiến trình, điều mà tôi nghi ngờ về tính khả thi trong thực tế.

Lưu ý cuối cùng:
Tôi hiện chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế với kỹ thuật này. Rất có thể còn tồn tại các phương án đơn giản và hiệu quả hơn mà tôi chưa nghĩ tới. Rất mong nhận được góp ý từ cộng đồng kỹ thuật.