LA# MEMORIA# VIRTUALE#
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- Aureliano Milano
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1 SISTEMI&OPERATIVI& AA&2012&/&2013& LA# MEMORIA# VIRTUALE# Mo-vazioni#» Spesso&non&tu8e&le&funzioni&di&un&programma& sono&ublizzate&durante&l esecuzione& Procedure&per&la&gesBone&di&errori&poco&frequenB& Spazio&riservato&per&array,&liste&e&tabelle& Funzionalità&accessorie&usate&di&rado&» Proposta& Caricare&in&memoria&solo&una&parte&del&programma& Altri&moduli&caricaB&su#richiesta# L immagine&del&processo&si&estende&oltre&la&capacità& della&memoria&fisica& 2&
2 Vantaggi#della#Memoria# Virtuale#» Separazione&della&memoria&logica&vista# dall utente#da&quella&fisica& Spazio&di&indirizzi&logico&>=&spazio&di&indirizzi&fisici&» Aumento&del&grado&di&mulBprogrammazione&o& di&utenb&interarvi&» Caricare/scaricare&i&programmi&in/dalla& memoria&richiede&un&numero&inferiore&di& operazioni&i/o& 3& Memoria#virtuale#più# grande#della#memoria#fisica#!" 4&
3 Spazio#degli#indirizzi#virtuali# 5& Memoria#virtuale#e## librerie#condivise# 6&
4 7& Definizione#» Sono&caricate&in&memoria&solo&le&pagine& effe0vamente&ublizzate&per&l esecuzione& lazy#swapper&» Richiesta&di&una&pagina&=>&riferimento&alla& pagina& Riferimento&non&valido&=>&abort& not/in/memory&=>&trasferire&in&memoria&» Pager& Modulo&del&sistema&operaBvo&che&gesBsce&la& paginazione& 8&
5 Paginazione#su#richiesta#e# swapping#di#processi#pagina-# 9& Tabella#delle#pagine# Solo#alcune#pagine#sono#in#memoria# 10&
6 Page#Fault#» Quando&si&deve&accedere&a&un&indirizzo&virtuale& di&una&pagina&che&non&è&caricata&in&memoria& Indicato&dal&bit&di&validità&» Si&genera&una&eccezione&gesBta&dal&sistema& operabvo& Se&l indirizzo&è&non&valido&=>&abort& Se&invece&si&tra8a&di&una&pagina&mancante,&occorre& caricarla&nel&sistema& 11& Ges-one#di#un#page#fault# 12&
7 Considerazioni#» Paginazione&pura& Si&caricano&in&memoria&le&pagine&solo&quando&richiesto& + All avvio&del&processo&si&avranno&numerosi&page#fault#» Località&dei&riferimenB& È&improbabile&che&istruzioni&logicamente&consecuBve&si& trovino&in&pagine&diverse&» Memoria&secondaria& Deve&riservare&una&area#di#scambio&(swap#space)&» Esecuzioni&di&istruzioni&complesse& Page&fault&causate&dall accesso&agli&operandi& 13& Prestazioni#della# paginazione#su#richiesta#» Il&tempo&effeRvo&d accesso&alla&memoria& (EffecBve&Access&Time&/&EAT)&si&calcola& &EAT&=&(1& &p)& &ma&+&p# &(tempo#ges:one#page#fault)&» Esempio& ma#=&200&ns& tempo#medio#ges:one#page#fault#=&8&ms& Se&p&=&0,1%&=>&EAT&=&8,2&μs&=&41& &ma#!!&& & Se&si&vuole&EAT&<=&1,1ma# allora&p&>=&0,25 10 /6& %& 14&
8 CopyJonJWrite#» Creazione&di&un&processo&mediante&fork()& Copia&dell immagine&del&genitore& La&copia&è&inuBle&se&fork()&è&seguita&da&exec()&» La&tecnica&Copy/on/Write&(COW)&consiste&nella& condivisione&delle&stesse&pagine&fisiche&da&parte&di& genitore&e&figlio&» Una&pagina&è&copiata&solo&se&uno&dei&due&processi&la& modifica&» La&copia&avviene&individuando&un&frame&libero&dalla&lista& di&frame&disponibili& 15& CopyJonJWrite# 16&
9 Cosa#succede#se#non#ci# sono#più#frame#liberi?#» Over/allocaBon& La&memoria&complessiva&che&può&essere&richiesta&dai& processi&è&maggiore&di&quella&disponibile& La&lista&dei&frame&liberi&può&essere&vuota&& Algoritmo&per&individuare&pagine&che&non&sono&più& ublizzate& L algoritmo&deve&garanbre&la&generazione&di&un&numero& rido8o&di&page&fault&» Effe8o&collaterale& Alcune&pagine&potrebbero&essere&caricate&in&memoria& diverse&volte&durante&l esecuzione& 17& OverJalloca-on#e# sos-tuzione#delle#pagine# 18&
10 Sos-tuzione#delle#pagine#e# tempo#medio#di#accesso#» La&sosBtuzione&di&una&pagina&può&aumentare&il&tempo& medio&di&accesso&& si&deve&scrivere&su&disco&la&pagina&che&verrà&sosbtuita&da& quella&che&ha&generato&il&fault& Servono&due&accessi&alla&memoria&secondaria&» Per&ridurre&il&sovraccarico&dovuto&alla&scri8ura&su&disco& della&pagina&da&sosbtuire& modify&(dirty)&bit&indica&quali&pagine&sono&state& modificate&& solo&le&pagine&modificate&devono&essere&riscri8e& & 19& Sos-tuzione#delle#pagine# 1. Ricerca&della&posizione&sul&disco&della&pagina& da&caricare&in&memoria& 2. Ricerca&di&un&frame&libero& se&presente,&carica&la&pagina& se&non&ci&sono&frame&liberi,&esegui&un&algoritmo&di& sosbtuzione&delle&pagine&per&trovare&un&frame& vimma& 3. Memorizza&la&pagina&nel&frame&libero& aggiorna&le&tabelle&dei&frame&e&delle&pagine& 4. Riavvia&il&processo& 20&
11 Sos-tuzione#delle#pagine# 21& Andamento#dei#page#fault# all aumentare#del#n.ro#di#frame# 22&
12 Algoritmi#di#sos-tuzione# delle#pagine#» ObieRvo& Minimizzare&il&numero&di&page&fault&» Le&prestazioni°li&algoritmi&si&valutano&usando&una& parbcolare&sequenza&di&richieste&di&pagine& Generata&casualmente& Registrata&durante&l esecuzione&di&un&programma& &e&calcolando&il&numero&di&page&fault&generab& Negli&esempi&che&seguono&useremo&la&sequenza& 7,&0,&1,&2,&0,&3,&0,&4,&2,&3,&0,&3,&2,&1,&2,&0,&1,&7,&0,&1& e&una&memoria&suddivisa&in&3&frame& 23& Algoritmo#FIFO# in#ordine#di#arrivo #» È&il&più&semplice&da&implementare&» Può&generare&molB&page&fault& Quando&si&sosBtuisce&una&pagina&in&memoria&da&molto&tempo& ma&ancora&molto&ublizzata&» Anomalia&di&Belady& All aumentare&del&n.ro&di&frame,&i&page&fault&possono& aumentare& 15&page&fault& 24&
13 Anomalia#di#Belady# O8enuta&con&la&sequenza&1,&2,&3,&4,&1,&2,&5,&1,&2,&3,&4,&5& 25& Algoritmo#OPT# Sos-tuzione#oMmale#» Si&sosBtuiscono&le&pagine&che&non&saranno&usate&per&il& periodo&di&tempo&più&lungo& Informazione&disponibile?&» UBlizzato&per&calcolare&il&minimo&numero&di&page&fault& che&si&possono&generare& 9&page&fault& 26&
14 Algoritmo#LRU# Least#Recently#Used#» Si&sosBtuisce&la&pagina&non#usata&per&il&periodo&più&lungo& Ad&ogni&riferimento&a&una&pagina&si&copia&il&valore&del&clock&di& sistema&in&un&campo&della&tabella& Si&sosBtuisce&la&pagina&con&il&valore&più&piccolo&» Svantaggi& Spazio&in&memoria&per&memorizzare&il&contatore& Ricerca&della&pagina&con&il&valore&più&piccolo&del&contatore& 12&page&fault& 27& Algoritmo#LRU# Implementazione#con#stack# Si&usa&una&pila&doppiamente&concatenata&con&puntatori& all elemento&iniziale&e&finale.&» Una&pagina&si&sposta&in& cima&alla&pila&quando& viene&referenziata&» Nel&caso&peggiore&si& devono&modificare&6& puntatori&» Non&serve&effe8uare&la& ricerca&del&frame&virma& 28&
15 Algoritmo#LRU# Considerazioni#» L algoritmo&lru&richiede&il&supporto&hardware&per& l aggiornamento&dei&contatori&o&della&pila& I&tempi&richiesB&da&una&esecuzione&via&sorware&del&SO& vanificherebbero&i&vantaggi&della&memoria&virtuale&» Il&supporto&hardware&richiesto&è&piu8osto&oneroso& Sono&state&sviluppate&approssimazioni&LRU& Compromesso&fra&prestazioni&e&complessità&HW&e&SW& 29& Approssimazione#LRU# Algoritmo#seconda,chance#» Si&usa&un&reference#bit&associato&a&ciascuna&pagina& Inizializzato&a&0& Ad&ogni&riferimento&alla&pagina&il&bit&è&impostato&a&1& Si&sosBtuisce&una&pagina&con&bit&=&0&(se&esiste)& + Se&più&pagine&hanno&bit&=&0,&come&si&sceglie?&» Algoritmo& & Si&esaminano&le&pagine#in&senso#orario&(clock)& Se&la&pagina&candidata&per&la&sosBtuzione&ha&il&reference& bit&=&1& + Si&imposta&il&reference&bit&=&0& + Si&lascia&la&pagina&in&memoria& + Si&candida&per&la&sosBtuzione&la&pagina&successiva&(in& senso&orario)&seguendo&le&stesse®ole& 30&
16 Algoritmo#di#sos-tuzione# seconda#chance#(clock)# Varianti - Uso di più bit di riferimento - Uso del bit di riferimento e del bit di modifica 31& Algoritmi#basa-#sul# conteggio#dei#riferimen-# Si utilizza un contatore dei riferimenti fatti a ciascuna pagina&» LFU&(Least&Frequently&Used)&& sosbtuisce&la&pagina&con&il&conteggio&minore&» MFU&(Most&Frequently&Used)&& sosbtuisce&la&pagina&con&il&conteggio&maggiore&» Queste&tecniche&sono&poco&diffuse&perché&& Implementazione&onerosa& Non&approssimano&OPT& 32&
17 Altre#considerazioni#» Page#buffering# Alcuni&sistemi&mantengono&una&lista&di&frame& liberi&che&contengono&potenziali&vi0me# Si&evita&di&dover&scrivere&su&disco&il&loro&contenuto& Nel&caso&quelle&pagine&siano&referenziate,&si&evita&di& caricarle&da&disco&» Per&ragioni&di&efficienza,&alcune&categorie&di& applicazioni&non&usano&i&servizi&so&per&la& sosbtuzione&delle&pagine& Ad&es.,&DBMS,&Data&Warehouse,&ecc.& 33&
18 Allocazione#dei#frame#» Occorre&assicurare&a&ogni&processo&un&numero# minimo&di&frame&per&evitare&troppi&page&fault&» Allocazione#uniforme& Si&distribuiscono&i&frame&in&modo&uniforme&fra&i& diversi&processi&» Allocazione#proporzionale& Si&distribuiscono&i&frame&in&modo&proporzionale& alle&dimensioni&di&ciascun&processo#» Allocazione#per#priorità& Si&Bene&conto&anche&della&priorità& 35& Allocazione#globale#e# allocazione#locale# & Per&la&sosBtuzione&delle&pagine&la&vi0ma#può&essere#la& pagina&di&un&processo&diverso&da&quello&che&ha&generato& il&fault& Variazione&dinamica&del&numero&di&frame&assegnaB&a&un& processo& & Può&essere&sosBtuita&solo&una&pagina&in&uno&dei&frame& allocab&al&processo&che&ha&generato&il&fault&» In&caso&di&archite8ure&NUMA&occorre&tener&conto&dei& diversi&tempi&d accesso&alle&memorie&del&sistema& 36&
19 Thrashing#» La&frequenza&dei&page/fault&cresce&in&modo&abnorme&se& il&processo&ha&poche&pagine&a&disposizione& Conseguenze& scarso&uso&della&cpu& Il&sistema&operaBvo&può&aumentare&il&grado&di& mulbprogrammazione&per&aumentare&l uso&della&cpu& Un&altro&processo&si&aggiunge&al&sistema,&incrementando& ulteriormente&i&page&fault&e&riducendo&l uso&della&cpu& & :&la&maggior&parte&del&tempo&di&esecuzione&di& un&processo&è&impiegata&per&la&paginazione!& 38&
20 Thrashing# 39& Paginazione#su#richiesta#e# Thrashing##» Perché&la&paginazione&su&richiesta&aumenta& l efficienza&del&sistema?& Durante&l esecuzione&un&processo&migra&da&una& località&a&un altra& Le&località&possono&sovrapporsi& &» Perché&può&verificarsi&il&thrashing?& Σ&dimensioni&località&>&dimensione&memoria& 40&
21 Principio#di#località# 41& Modello#dei#WorkingJSet#» Sia&Δ&una&finestra&temporale&del&working&set&» WSS i &(working&set&del&processo&p i )&=& numero&totale&di&pagine&usate&negli&ulbmi&δ&riferimenb& se&δ&è&troppo&piccolo,&potrebbe&non&comprendere&tu8a&la& località& se&δ&è&troppo&grande,&potrebbe&comprendere&più&località& se&δ&=& &comprende&tu8e&le&pagine&del&programma&» D&=&Σ&WSS i &=>&numero&totale&di&frame&richiesb&in&δ&» Se&D&>&dim_mem&=>&Thrashing& Per&evitare&thrashing&si&può&sospendere&un&processo& 42&
22 Modello#del#workingJset# 43& Modello#basato#sulla# frequenza#dei#pagejfault#» Ha&l obiervo&di&stabilire&una&frequenza& acce8abile di&page/fault& se&la&frequenza&a8uale&è&troppo&bassa,&si&possono&so8rarre& frame&al&processo& se&la&frequenza&a8uale&è&troppo&alta,&il&processo&può& guadagnare&dei&frame& 44&
23 Working#Set#e# Frequenza#dei#Page#Fault# 45&
24 Esigenze#del#kernel#» Il&Kernel&ha&necessità&di&memoria&per&le&sue& stru8ure&dab&che&hanno&dimensioni&variabili&» Parte&della&memoria&del&kernel&deve&essere& conbgua& Ad&es.,&alcuni&disposiBvi&accedono&alla&memoria& senza&usare&la&memoria&virtuale&» Di&conseguenza,&la&memoria&del&kernel&di&solito& non&è&paginata& Il&kernel&ha&a&disposizione&un&insieme&di&aree&libere& di&memoria& 47& Buddy#System#» Usa&segmenB&di&memoria&di&dimensione&fissata,& formab&da&uno&o&più&frame&conbgui&» La&memoria&è&allocata&in&porzioni&di&dimensioni& potenzajdij2& Le&richieste&sono&arrotondate&per&eccesso&alla&più& vicina&potenza&di&due& Se&la&porzione&disponibile&è&più&grande&di&quella& richiesta,&la&porzione&si÷&in&due&( )& + La&divisione&conBnua&finché&non&si&giunge&alla& dimensione&richiesta& Due&buddy&non&usaB&possono&essere&fusi& 48&
25 Gestore#Buddy#System# 49& Allocazione#a#lastre#(slab)#» Una&lastra#( )&è&formata&da&una&o&più&frame&conbgui&» La&cache&è&formata&da&una&o&più&lastre&» Ciascuna&cache&è&relaBva&a&una&stru8ura&daB&del&kernel& Ciascuna&cache&conBene&oggeM& &istanze&della&stru8ura& dab&» La&cache&è&creata&con&oggeR&segnaB&come&liberi#» Quando&si&memorizzano&le&stru8ure,&gli&oggeR&sono& segnab&come&usa-#» Se&una&lastra&è&piena&si&usa&una&lastra&vuota& Se&non&esistono&lastre&vuote,&si&alloca&una&nuova&lastra&» Non&c è&frammentazione&e&l allocazione&è&veloce& 50&
26 Allocazione#a#lastre# 51&
27 Prepaginazione#» Riduce&il&numero&di&page&fault&all avvio&del&processo&» Trasferisce&in&memoria&alcune&o&tu8e&le&pagine& necessarie&prima&che&si&faccia&un&riferimento& Ma&se&queste&pagine&non&verranno&usate,&abbiamo& sprecato operazioni&di&i/o&» Difficoltà& Stabilire&quante&pagine&portare&in&memoria& & Linguaggi&come&C/C++&e&orientaB&agli&oggeR&non& soddisfano&a&pieno&località&e&possono&rendere& inefficiente&la&prepaginazione& 53& Dimensione#delle#pagine#» Influenza& Il&grado&di&frammentazione& La&dimensione&della&tabella&delle&pagine&& Il&sovraccarico&per&operazioni&I/O&» Dipende&dalla&località& 54&
28 Portata#della#TLB#» È&la&quanBtà&di&memoria&che&può&essere&indirizzata&dalla& TLB&» TLB&Reach&=&(TLB&Size)& &(Page&Size)&» Idealmente&la&TLB&dovrebbe&indirizzare&il&working#set&di& ciascun&processo&» Per&aumentare&TLB&Reach&si&potrebbe&aumentare&la& dimensione&delle&pagine& Può&causare&frammentazione&» Uso&di&pagine&di&dimensione&diversa& Ciascuna&applicazione&usa&la&dimensione&di&pagina&che& crea&meno&frammentazione& 55& StruZura#dei#programmi# int[128,128] data; IpoBzziamo&che&ciascuna&riga&sia&memorizzata&in&una&pagina& Program&1& && for (j = 0; j <128; j++) for (i = 0; i < 128; i++) data[i,j] = 0; &&&&&128&x&128&=&16,384&page&faults&& & Program&2& && for (i = 0; i < 128; i++) for (j = 0; j < 128; j++) data[i,j] = 0; &128&page&faults& 56&
29 I/O#interlock#» Alcune&pagine&devono&essere&vincolate&in& memoria& Non&devono&essere&sosBtuite&in&caso&di&page&fault&» Caso&Bpico&in&operazioni&I/O& Le&pagine&in&uso&per&la&copia&di&daB&da&una& periferica&non&devono&essere&rimosse& 57&
30 Windows#XP#» Paginazione&su&richiesta&con&clustering& Si&carica&la&pagina&mancante&e&quelle&vicine&» A&ciascun&processo&si&assegna&un&valore&minimo&e&un& valore&massimo&di&working#set# Minimo&garanBto&di&pagine&in&memoria& Massimo&numero&possibile&di&pagine&in&memoria&» Se&la&quanBtà&di&memoria&disponibile&scende&so8o&una& certa&soglia,&il&sistema&esegue&una&riduzione&automabca& del&working#set#(automa:c#working#set#trimming)& Mantenendo&il&vincolo&del&minimo#working#set& 59& Solaris##» ManBene&una&lista&di&pagine&disponibili&da&assegnare&ai& processi&che&causano&page&fault& Lotsfree&& soglia&per&avviare&la&paginazione&su&richiesta& Desfree&& soglia&per&aumentare&la&paginazione& Minfree&& soglia&per&avviare&swapping#» La&paginazione&viene&eseguita&dal&processo&pageout& usando&un&algoritmo&clock#a#due#lanceae&& Scanrate&& frequenza&di&scansione&delle&pagine&varia&fra&slowscan&e& fastscan& 60&
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