09 Operativni Sistemi - Nedelja IX

7/25/2019 09 Operativni Sistemi - Nedelja IX

1/60

Operativni sistemi

Deveto poglavlje: Virtuelna memorija


2/60

Operativni sistemi

Poglavlje 9: Virtuelna memorija

Background Stranienje na zahtev

Copy-on-Write

Zamena strana

Alokacija frejmova Thrashing

Memorijski mapirani fajlovi

Alokacija memorije kernelu

Druga razmatranja

Primeri operativnih sistema


3/60

Operativni sistemi

Ciljevi

Opisati pogodnosti koje prua sistem virtuelne memorije

Objasniti koncepte stranienja na zahtev, algoritama zamene strana i alokacijefrejmova

Prodiskutovati o principu working-set modela


4/60

Operativni sistemi

Background

Virtuelna memorija odvajanje korisnike logike memorije od fizike memorije. Samo deo programa treba da bude u memoriji za izvravanje

Logiki adresni prostor moe zato biti daleko vei od fizikog adresnog prostora Dozvoljava da vie procesa dele adresni prostor Dozvoljava efikasnije kreiranje procesa

Virtuelna memorija se moe primeniti kao: Stranienje na zahtev Segmentacija na zahtev


5/60

Operativni sistemi

Virtuelna memorija je vea od fizike memorije


6/60

Operativni sistemi

Deljena biblioteka kada se koristi virtuelna memorija


7/60

Operativni sistemi

Stranienje na zahtev

Donosi stranu u memoriju samo kada je to neophodno Potrebno je manje I/O

manje memorije je potrebno

Bri odziv

Vie korisnika

Kada je potrebna strana referencira se invalid referenca abort

nije-u-memoriji donesi u memoriju

Lenji swapper nikada se ne zamenjuje-prebacuje strana u memoriju dok ta stranane bude potrebna

Swapper koji radi sa stranama naziva se pager


8/60

Operativni sistemi

Transfer straniene memorije susednom prostoru na disku


9/60

Operativni sistemi

Valid-Invalid bit Svakom upisu-entry u tabelu strana validinvalid bit se pridruuje

(v u-memoriji, i nije-u-memoriji) Inicijalno se validinvalid bit postavlja na i za sve upise-entries

Primer jednog stanja tabele strana:

Za vreme translacija adresa, ako je validinvalid bit za ulaz-entry u tabelu stranai pogrena strana (page fault)

v

v

v

v

i

ii

.

Frame # valid-invalid bit

page table


10/60

Operativni sistemi

Tabela strana kada neke strane nisu u memoriji


11/60

Operativni sistemi

Pogrena strana (page fault)

Ako postoji referenca-upuivanje na stranu, prvo referenciranje na tu stranu dae kao

rezultat trap operativnom sistemu:page fault

1. Operativni sistem trai u drugoj tabeli da odlui: Invalid referenca abort

Samo nije u memoriji

2. Trap

3. Dobija se prazan frejm

4. Ubaci se stranica u frejm

5. Resetuju tabele

-Postavlja bit ispravnosti = v

6. Restartuje se instrukcija koja je prouzrokovala page fault


12/60

Operativni sistemi

Koraci u rukovanju Page Fault-om


13/60

Operativni sistemi

Performanse stranienja na zahtev Opseg pojave Page Fault-a 0 p 1.0

ako jep = 0 nema page faults

ako jep = 1, svaka referenca je fault

Efektivno vreme pristupa Efective Access Time (EAT)

EAT = (1 p) x memory access

+p (page fault overhead

+ swap page out+ swap page in

+ restart overhead

)


14/60

Operativni sistemi

Primer stranienja na zahtev

Vreme pristupa memoriji = 200 nanosekundi

Srednja vrednost vremena servisiranja page-fault-a = 8 milisekundi

EAT = (1 p) x 200 + p (8 milisekundi)

= (1 p x 200 + p x 8,000,000

= 200 + p x 7,999,800

Ako jedan pristup od 1,000 prouzrokuje page fault, onda je

EAT = 8.2 mikrosekundi.

Ovo je usporenje za faktor 40!!


15/60

Operativni sistemi

Kreiranje procesa

Virtuelna memorija dozvoljava druge pogodnosti za vreme kreiranja procesa:

- Copy-on-Write

- Memorijsko-mapiranje fajlova


16/60

Operativni sistemi

Copy-on-Write

Copy-on-Write (COW) dozvoljava i parent procesu i child procesu da

inicijalno dele iste strane u memoriji

Strana se kopira samo ako jedan od procesa modifikuje deljenu stranu.

COW dozvoljava efikasnije kreiranje procesa poto se samo modifikovanestrane kopiraju

Slobodne strane se alociraju iz pool-a strana koje se nisu koristile (zeroed-outpages)


17/60

Operativni sistemi

Pre nego to proces 1 modifikuje stranu C


18/60


19/60

Operativni sistemi

ta se deava ako ne postoji slobodan okvir?

Zamena strane nai neku stranu u memoriji, koja se ne koristi esto i

prebaciti je - zameniti (swap out) algoritam performanse algoritam koji e kao rezultat da da minimalan broj pogrenih

strana - page faults

Iste strane mogu biti doneene u memoriju vie puta


20/60

Operativni sistemi

Zamena strane

Spreiti prekomernu alokaciju memorije modifikuju

i page-fault servisnu rutinutako da ukljui zamenu strane

Koristi se modify (dirty) bit za smanjenje overhead-a transfera strane samomodifikovane strane se upisuju na disk

Zamena strane completes odvajanje izmeu logike i fizike memorije veavirtuelna memorija moe da se obezbedi na manjoj fizikoj memoriji


21/60

Operativni sistemi

Potreba za zamenom strane


22/60

Operativni sistemi

Osnovi zamene strana

1. Nai lokaciju eljene strane na disku

2. Pronai slobodan frejm:- Ako postoji slobodan frejm, iskoristiti ga- Ako ne postoji slobodan frejm, iskoristiti algoritam zamene strane

za selekciju okvira rtve

1. Doneti eljenu stranu u (novi) slobodni okvir; aurirati tabele strana ifrejmova

2. Restartovati proces


23/60

Operativni sistemi

Zamena strane


24/60

Operativni sistemi

Algoritmi zamene strane elimo manju brzinu pojave pogrene stranice (page-fault stranica koja nije u memoriji)

Algoritam dodele frejmova odreuje Koliko frejmova se dodeljuje svakom procesu

Koje frejmove zameniti

Algoritam zamene strane eli se najmanja brzina pojave page-fault-a i za prvi pristup i za ponovni pristup

Evaluirati algoritam startujui ga na posebnom string-u memorijskih referenci (stringreferenciranja) i izraunati broj page faults za taj string

String sadri brojeve strana, ne pune adrese Ponavljanje pristupa istoj strani ne prouzrokuje page fault

U sledeim primerima string referenci je

7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1


25/60

Operativni sistemi

Graf pogrenih strana (page faults) u odnosu na broj frejmova


26/60

Operativni sistemi

First-In-First-Out (FIFO) algoritam

Reference string: 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1

3 frejma (3 strane mogu biti u memoriji u isto vreme po jednom procesu)

Ako se promeni reference string: na primer 1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5 Poveanje broja frejmova (vea memorija) moe da izazove vie page fault-a!

Belady-jeva anomalija

Kako voditi rauna o starosti strana? Koristiti FIFO red

7

0

1

1

2

3

2

3

0

4 0 7

2 1 0

3 2 1

15 page fault-a


27/60

Operativni sistemi

FIFO zamena strana


28/60

Operativni sistemi

FIFO ilustracija Belady-jeve anomalije


29/60

Operativni sistemi

Optimalna zamena strana

Zameni stranicu koja se najvie vremena "nee koristiti"

Primer na donjoj slici sa optimalnim brojem page faulta-a 9

Kako znate ta e se desiti u budunosti?

Koristi se za merenje-odreivanje koliko je dobar va algoritam


30/60

Operativni sistemi

Least Recently Used (LRU) algoritam Koriste se podaci neposredno pre posmatranja

Zamenjuje se strana koja se nije koristila u tom periodu

Pridruuje se vreme korienja svakoj stranici

12 faults better than FIFO but worse than OPT

Primena brojaa Svaki ulaz-upis strane ima broja; svaki put kada se strana referencira kroz ovaj ulaz-upis-entry, kopira se

vreme u broja

Kada strana treba da se promeni, pogledaju se brojai da bi se odredilo koja treba da se promeni


31/60

Operativni sistemi

Use Of A Stack to Record The

Most Recent Page References


32/60

Operativni sistemi

LRU aproksimacioni algoritmi

Reference bit

Svakoj strani se pridruuje bit, inicijalizovan na 0 Kada se strana referencira bit se postavlja na 1

Zamenjuju se oni koji su 0 (ako postoje) Ne znamo redosled, meutim

Druga ansa

Potreban je reference bit Zamena clock-a

Ako strana koja treba da se zameni (po redosledu clock-a) ima reference bit = 1 onda: postavi reference bit 0

ostavi stranu u memoriji

zameni sledeu stranu (po redosledu clock-a), prema istom pravilu


33/60

Operativni sistemi

Second-Chance (clock) algoritam zamene strane


34/60

Operativni sistemi

Counting algoritmi

Odrava se broja-counter broja referenci koje su nainjene za svaku stranu

LFU Algoritam: zamenjuje stranu sa najmanjim brojem-count

MFU Algoritam: baziran na argumentu da je strana sa najmanjim brojem-count verovatno upravo doneta i jo nije koriena


35/60

Operativni sistemi

Alokacija frejmova

Svaki proces treba minimalni broj strana

Dve glavne eme alokacije fiksna alokacija alokacija prema prioritetu


36/60

Operativni sistemi

Fiksna alokacija

Jednaka alokacija Na primer, ako postoji 100 frejmova i 5 procesa, daje sesvakom procesu 20 frejmova.

Proporcionalna alokacija Alokacija prema veliini procesa


37/60

Operativni sistemi

Alokacija koriste

i prioritete

Koristi proporcionalnu alokacionu emu radije koristei prioritete negoveliinu

Ako proces Pi generie page fault, selektuje se za zamenu jedan od njegovih frajmova

selektuje se za zamenu frejm od procesa sa najmanjim prioritetnim brojem


38/60


39/60

Operativni sistemi

Thrashing

Ako proces nema dovoljno stranica, verovatnoa pojave page-fault-a je

veoma velika. Ovo dovodi do: malog iskorienja CPU-a

operativni sistem misli da on treba da povea stepen " multiprogramming-a"

drugi proces se dodaje sistemu

Thrashing proces je zauzet prebacivanjem-swapping-om strana u i van


40/60

Operativni sistemi

Thrashing (nastavak)


41/60

Operativni sistemi

Strani

enje na zahtev i thrashing

Zato se stranienje na zahtev radi?

Model lokaliteta Proces migrira sa jednog lokaliteta na drugi

Lokaliteti se mogu preklapati

Zato se thrashing pojavljuje?

veli

ina lokaliteta > ukupna veli

ina memorije


42/60

Operativni sistemi

Slika lokacija-mesta referenciranja memorije


43/60

Operativni sistemi

Model radnog skupa (working-set)

prozor radnog skupa

fiksni broj referenciranja straneprimer: 10,000 instrukcija

WSSi (radni skup procesa Pi) =ukupan broj strana referenciranih u najskorije vreme (menja se u vremenu)

ako je isuvie malo, ne uzimaju se u obzir svi lokaliteti

ako je isuvie veliko, preklapa se nekoliko lokaliteta ako je = zaokruie se itav program

D = WSSi ukupan broj zahtevanih frejmova

Ako jeD > m Thrashing, sledi, suspenduje se jedan od procesa


44/60

Operativni sistemi

Working-set model


45/60

Operativni sistemi

ema uestanosti pojave pogrene strane

Uspostavlja se prihvatljiva brzina pojave page-fault-a If actual rate too low, process loses frame

If actual rate too high, process gains frame


46/60


47/60

Operativni sistemi

Memorijski mapirana deljena memorijakod Windows operativnog sistema


48/60

Operativni sistemi

Alokacija kernel memorije

Tretira se drugaije u odnosu na korisniku memoriju

esto alocirana iz praznog-slobodnog memorijskog skladita (pool-a) Kernel zahteva memoriju za strukture razliitih veliina

Neka memorija kernela treba da bude susedna-contiguous


49/60

Operativni sistemi

Buddy sistem

Alocira memoriju iz segmenata fiksne veliine koji su sastavljeni od fizikisusednih strana

Alocirana memorija koristi power-of-2 allocator Zadovoljava zahteve u jedinicama ija je veliina umnoak od 2

Zahtev zaokruen na sledeu veu vrednost koja je umnoak 2

Kada je potrebna manja alokacija od iskoristljive, tekui chunk se cepa na dvabuddies sledee nie vrednosti koja je umnoak 2

Nastavlja se dok se ne dobije chunk odgovarajue veliine


50/60

Operativni sistemi

Buddy System alokator


51/60

Operativni sistemi

Slab alokator

Alternativna strategija Slabje jedna strana ili vie fiziki susednih strana

Cache se sastoji od jednog ili vie slab-ova Single cache za svaku jedinstvenu strukturu podataka kernel-a

Svaki cache popunjen objektima koji su primerci strukture podataka

Kada se ke kreira, popunjen je objektima oznaenim kao free Kada se strukture uskladite, objekti su oznaeni kao used Ako je slab pun korienih objekata, sledei objekat se alocira iz praznog slab-a

Ako nema praznih slab-ova, alocira se novi slab

Beneficije ukljuuju to da ne postoji fragmentacija i da su brzo zadovoljenimemorijski zahtevi


52/60

Operativni sistemi

Slab alokacija


53/60

Operativni sistemi

Drugi problemi-teme Prepaging

Prepaging

Da bi se smanjio veliki broj page faults koje se pojavljuju u startup-u procesa Prepage svih ili samo strana koje e procesu trebati, pre nego to se referenciraju

Ali ako se prepaged strane ne koriste, I/O i memorija se "troe"


54/60

Operativni sistemi

Drugi problemi-teme Veliina strane

Selekcija veliine mora da uzme u obzir: fragmentaciju

veliinu tabele

I/O overhead

lokalitet


55/60

Operativni sistemi

Drugi problemi TLB

TLB Reach - Koliina memorije kojoj se moe pristupiti TLB-a

TLB Reach = (TLB veliina) X (Veliina strane)

Idealno, working set svakog procesa je uskladiten u TLB Inae postoji veliki stepen pojave page faults

Poveanje veliine strane Ovo moe da dovede do poveanja fragmentacije poto sve aplikacije ne zahtevaju

veu veliinu strane Obezbediti vie veliina strana

Ovo dozvoljava aplakacijama da zahtevaju vee veliine strana i mogunostnjihovog korienja bez poveanja fragmentacije


56/60

Operativni sistemi

Drugi problemi-teme Struktura programa

Struktura programa Int[128,128] data;

Svaki red je memorisan na jednoj strani Program 1

for (j = 0; j


57/60


58/60

Operativni sistemi

Primeri operativnih sistema

Windows XP

Solaris


59/60

Operativni sistemi

Windows XP

Koristi stranienje na zahtev sa clustering-om. Clustering donosi strane kojeokruuju faulting page.

Procesima se pridruuje working set minimum i working set maximum Working set minimum je minimalan broj stranica koje procesu garantuju da ih

ima u memoriji

Procesu moe biti pridrueno maksimalno onoliko strana koliki je working setmaximum

Kada koliina slobodne memorije u sistemu padne ispod granice, automaticworking set trimming se izvrava da bi restaurirao koliinu slobodnememorije

Working set trimming uklanja strane iz procesa koji imaju vie strana od svog

working set minimum-a


60/60

Operativni sistemi

Solaris

Odrava listu slobodnih strana za pridruenje faulting procesa

Lotsfree granini parametar (koliina slobodne memorije) da bi poelo

stranienje Desfree granini parametar da bi se povealo stranienje

Minfree granini parametar da bi se izveo swapping

Paging se izvrava sapageoutprocesom

Pageout skenira strane koristei modifikovani clock algorithm Scanrateje brzina kojom se strane skeniraju. Opseg brzine je od slowscan do

fastscan

Pageout se poziva ee zavisno od koliine slobodne memorije koja je naraspolaganju

Documents

09 Operativni Sistemi - Nedelja IX