Chương 8
Bộ Nhớ Ảo
Nội dung trình bày
Tại sao cần phải có bộ nhớ ảo ?
Tổng quan về hiện thực bộ nhớ ảo
Hiện thực bộ nhớ ảo : demand paging
Hiện thực bộ nhớ ảo : Page Replacement
– Các giải thuật thay trang [Page Replacement Algorithms]
Vấn đề cấp phát Frames
Vấn đề Thrashing
Hiện thực bộ nhớ ảo : Demand Segmentation
Khoa KTMT
Tại sao cần có bộ nhớ ảo Nhìn lại paging?và segmentation :
Các tham chiếu đến bộ nhớ được chuyển đổi động thành địa chỉ thực lúc process đang thực thi CPU package
The CPU sends virtual addresses to the MMU
CPU Memory
Disk controller
MMU Bus
The MMU sends physical addresses to the memory
MMU: memory management unit
Một process gồm các phần nhỏ [page hay segment], các phần này được nạp vào các vùng có thể không liên tục trong bộ nhớ chính
Khoa KTMT
Bộ nhớ ảo [1]
•
Nhận xét: không phải tất cả các phần của một process cần thiết phải được nạp vào bộ nhớ chính tại cùng một thời điểm Ví dụ
– Đoạn mã điều khiển các lỗi hiếm khi xảy ra – Các arrays, list, tables được cấp phát bộ nhớ [cấp phát tónh] nhiều hơn yêu cầu thực sự – Một số tính năng ít khi được dùng của một chương trình
•
Ngay cả khi toàn bộ chương trình đều cần dùng thì có thể không cần dùng toàn bộ cùng một lúc.
Khoa KTMT
Bộ nhớ ảo [2]
Bộ nhớ ảo [virtual memory]
– Cơ chế được hiện thực trong hệ điều hành để cho phép thực thi một quá trình mà chỉ cần giữ trong bộ nhớ chính một phần của không gian địa chỉ luận lý của nó, còn phần còn lại được giữ trên bộ nhớ phụ [đóa].
Ưu điểm của bộ nhớ ảo
– Số lượng process trong bộ nhớ nhiều hơn – Một process có thể thực thi ngay cả khi kích thước của nó lớn hơn bộ nhớ thực
Khoa KTMT
Bộ nhớ ảo [3]
Thông thường phần của không gian địa chỉ luận lý của quá trình, nếu chưa cần nạp vào bộ nhớ chính, được giữ ở một vùng đặc biệt trên đóa gọi là không gian tráo đổi [swap space].
•
Ví dụ:
– swap partition trong Linux – file pagefile.sys trong Windows 2K
Khoa KTMT
Tổng quan về hiện thực bộ nhớ ảo Phần cứng memory management phải hỗ trợ paging và/hoặc segmentation
OS phải quản lý sự di chuyển của trang/đoạn giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ thứ cấp
Trong chương này,
– Chỉ quan tâm đến paging – Phần cứng hỗ trợ hiện thực bộ nhớ ảo – Các giải thuật của hệ điều hành
Khoa KTMT
Phần cứng hỗ trợ bộ nhớ ảo Sự hỗ trợ của phần cứng đối với phân trang đã được khảo sát trong chương trước. Chỉ có một điểm khác biệt là mỗi mục của bảng phân trang có thêm các bit trạng thái đặc biệt
– Present bit = 1 ⇒ trang hợp lệ và hiện trong memory • = 0 ⇒ trang không hợp lệ hoặc không trong memory
– Modified bit: cho biết trang có thay đổi kể từ khi được nạp vào memory hay không
Khoa KTMT
Hiện thực bộ nhớ ảo: demand paging •
Demand paging: các trang của quá trình chỉ được nạp vào bộ nhớ chính khi được yêu cầu.
Khi có một tham chiếu đến một trang mà không có trong bộ nhớ chính [present bit = 0] thì phần cứng sẽ gây ra một ngắt [gọi là page-fault trap] kích khởi pagefault service routine [PFSR] của hệ điều hành. PFSR:
1. Chuyển process về trạng thái blocked 2. Phát ra một yêu cầu đọc đóa để nạp trang được tham chiếu vào một frame trống; trong khi đợi I/O, một process khác được cấp CPU để thực thi 3. Sau khi I/O hoàn tất, đóa gây ra một ngắt đến hệ điều hành; PFSR cập nhật page table và chuyển process về trạng thái ready.
Khoa KTMT
Page fault và các bước xử lý
Khoa KTMT
Thay thế trang nhớ [1]
Bước 2 của PFSR giả sử tìm được frame trống. Để xử lý được cả trường hợp phải thay trang vì không tìm được frame trống, PFSR được bổ sung như sau
1. Xác định vị trí trên đóa của trang đang cần 2. Tìm một frame trống:
- Nếu có frame trống thì dùng nó
- Nếu không có frame trống thì dùng một giải thuật thay trang để chọn một trang hy sinh [victim page]
- Ghi victim page lên đóa; cập nhật page table và frame table tương ứng
3. Đọc trang đang cần vào frame trống [đã có được từ bước 2]; cập nhật page table và frame table tương ứng.
Khoa KTMT
Thay thế trang nhớ [2]
Khoa KTMT
Hiện thực demand paging •
Hai vấn đề chủ yếu: Frame-allocation algorithm
•
– Cấp phát cho process bao nhiêu frame của bộ nhớ thực?
• 0100, 0102, 0611, 0101, 0104,
Page-replacement algorithm – Chọn frame của process sẽ được thay thế trang nhớ – Mục tiêu: số lượng pagefault nhỏ nhất
– Được đánh giá bằng cách thực thi giải thuật đối với một chuỗi tham chiếu bộ nhớ [memory reference string] và xác định số lần xảy ra page fault
Khoa KTMT
Ví dụ Thứ tự tham chiếu các địa chỉ nhớ, với page size = 100:
⇒
0432, 0103, 0102, 0610, 0101,
0101, 0104, 0103, 0102, 0609,
0612, 0101,
0104, 0103, 0102, 0105
các trang nhớ sau được tham chiếu lần lượt = chuỗi tham chiếu bộ nhớ [trang nhớ] • • • • •
1, 1, 1, 1, 1
4, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 1,
6, 6, 6, 6,
1, 1, 1, 1,
Giải thuật thay trang OPT[optimal]
Giải thuật thay trang OPT
– Thay thế trang nhớ sẽ được tham chiếu trễ nhất trong tương lai
Ví dụ: một process có 5 trang, và được cấp 3 frame
chuỗi tham chiếu trang nhớ
Khoa KTMT
Giải thuật thay trang Least Recently Used [LRU]
Thay thế trang nhớ không được tham chiếu lâu nhất
Ví dụ: một process có 5 trang, và được cấp 3 frame chuỗi tham chiếu trang nhớ
Mỗi trang được ghi nhận [trong bảng phân trang] thời điểm được tham chiếu ⇒ trang LRU là trang nhớ có thời điểm tham chiếu nhỏ nhất [OS tốn chi phí tìm kiếm trang nhớ LRU này mỗi khi có page fault] Do vậy, LRU cần sự hỗ trợ của phần cứng và chi phí cho việc tìm kiếm. Ít CPU cung cấp đủ sự hỗ trợ phần cứng cho giải thuật LRU.
Khoa KTMT
Giải thuật thay trang FIFO
Xem các frame được cấp phát cho process như là circular buffer
– Khi bộ đệm đầy, trang nhớ cũ nhất sẽ được
thay thế: first-in first-out – Một trang nhớ hay được dùng sẽ thường là trang cũ nhất ⇒ hay bị thay thế bởi giải thuật FIFO – Hiện thực đơn giản: chỉ cần một con trỏ xoay vòng các frame của process
So sánh các giải thuật thay trang LRU và FIFO
chuỗi tham chiếu trang nhớ
→
Khoa KTMT
→
→
→
→ →
→
→
→
→
→
→
Giải thuật FIFO: Belady’s anomaly
Bất thường [anomaly] Belady: số page fault tăng mặc dầu quá trình đã được cấp nhiều frame hơn.
Khoa KTMT
Giải thuật thay trang clock [1]
Các frame cấp cho process được xem như một bộ đệm xoay vòng [circular buffer]
Khi một trang được thay, con trỏ sẽ chỉ đến frame kế tiếp trong buffer
Mỗi frame có một use bit. Bit này được thiết lập trị 1 khi
– Một trang được nạp lần đầu vào frame – Trang chứa trong frame được tham chiếu
Khi cần thay thế một trang nhớ, trang nhớ nằm trong frame đầu tiên có use bit bằng 0 sẽ được thay thế.
– Trên đường đi tìm trang nhớ thay thế, tất cả use bit được reset về 0 Khoa KTMT
Giải thuật thay trang clock [2]
Khoa KTMT
So sánh LRU, FIFO, và clock
chuỗi tham chiếu trang nhớ
Dấu ∗: use bit tương ứng được thiết lập trị 1 Giải thuật clock bảo vệ các trang thường được tham chiếu bằng cách thiết lập use bit bằng 1 với mỗi lần tham chiếu Một số kết quả thực nghiệm cho thấy clock có hiệu suất gần với LRU
Khoa KTMT
Số lượng frame cấp cho process
OS phải quyết định cấp cho mỗi process bao nhiêu frame.
– Cấp ít frame ⇒ nhiều page fault – Cấp nhiều frame ⇒ giảm mức độ multiprogramming
Chiến lược cấp phát tónh [fixed-allocation]
– Số frame cấp cho mỗi process không đổi, được xác định vào thời điểm loading và có thể tùy thuộc vào từng ứng dụng [kích thước của nó,…]
Chiến lược cấp phát động [variable-allocation]
– Số frame cấp cho mỗi process có thể thay đổi trong khi nó chạy Nếu tỷ lệ page-fault cao ⇒ cấp thêm frame Nếu tỷ lệ page-fault thấp ⇒ giảm bớt frame
– OS phải mất chi phí để ước định các process
Khoa KTMT
Chiến lược cấp phát tónh
Cấp phát bằng nhau: Ví dụ, có 100 frame và 5 process → mỗi process được 20 frame
Cấp phát theo tỉ lệ: dựa vào kích thước process
si = size of process pi
Ví dụ:
m = 64 S = ∑ si
si = 10
m = total number of frames
10 a1 = × 64 ≈ 5 137 127 a2 = × 64 ≈ 59 137
si ai = allocation for pi = × m S
Khoa KTMT
s2 = 127
Thrashing
Nếu một process không có đủ số frame cần thiết thì tỉ số page faults/sec rất cao. Điều này khiến giảm hiệu suất CPU rất nhiều.
•
Ví dụ: một vòng lặp N lần, mỗi lần tham chiếu đến địa chỉ nằm trong 4 trang nhớ trong khi đó process chỉ được cấp 3 frames. 3 frames 123 023 013 2 012 Thời gian 3 1 2 3 Thrashing: hiện tượng các trang nhớ của một process bị Process có 4 trang, được cấp phát 3 frame 0 Chuỗi tham chiếu trang: 1 123023013012312
hoán chuyển vào/ra liên tục.
Khoa KTMT
Thrashing diagram
Khoa KTMT
Nguyên lý locality
Để hạn chế thrashing, hệ điều hành phải cung cấp cho process càng “đủ” frame càng tốt. Bao nhiêu frame thì đủ cho một process thực thi hiệu quả? Nguyên lý locality [locality principle]
– Locality là tập các trang được tham chiếu gần nhau Trong ví dụ trước, locality sẽ bao gồm 4 trang
– Một process gồm nhiều locality, và trong quá trình thực thi, process sẽ chuyển từ locality này sang locality khác Ví dụ khi một thủ tục được gọi thì sẽ có một locality mới. Trong locality này, tham chiếu bộ nhớ bao gồm lệnh của thủ tục, biến cục bộ và một phần biến toàn cục. Khi thủ tục kết thúc, process sẽ thoát khỏi locality này [và có thể quay lại sau này].
Vì sao hiện tượng thrashing xuất hiện? Khi
Σ size of locality > memory size
Khoa KTMT