Memoria Virtuale. Definizione. è la tecnica chge permette l esecuzione di processi che non sono completamente caricati in memoria principale

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1 Memora Vrtuale Defnzone è la tecnca chge permette l esecuzone d process che non sono completamente carcat n memora prncpale Memora Vrtuale Consderazon permette d esegure n concorrenza process che nel loro complesso (o anche sngolarmente) hanno necesstà d memora maggore d quella dsponble coè permette d separare la memora logca sta dall utente (programmatore) dalla memora fsca Memora Vrtuale Requst d un archtettura d Von Neumann (cclo d fetch ecc.) Le struzon da esegure e dat su cu operano deono essere n memora prncpale tuttaa non è necessaro che l ntero spazo d ndrzzamento logco d un processo sa n memora prncpale process non utlzzano tutto l loro spazo d ndrzzamento contemporaneamente Ad esempo routne d gestone d errore strutture dat allocate con dmenson massme ma utlzzate solo parzalmente Implementazone Memora Vrtuale ogn processo ha accesso ad uno spazo d ndrzzamento rtuale che può essere pù grande d quello fsco gl ndrzz rtual possono essere mappat su ndrzz fsc della memora prncpale oppure, possono essere mappat su memora secondara (dsco) n caso d accesso ad ndrzz rtual mappat n memora secondar dat assocat engono trasfert n memora prncpale se la memora prncpale è pena, s spostano n memora secondara dat n memora prncpale che sono consderat meno utl

2 Memora Vrtuale - Implementazone Pagnazone su rchesta (demand pagng) s utlzza la tecnca della pagnazone, ammettendo però che alcune pagne possano essere n memora secondara Nella tabella delle pagne d ogn sngolo processo s utlzza un bt (bt d aldtà) che ndca se la pagna è presente o meno n memora prncpale Pagnazone su rchesta - Esempo Quando un processo tenta d accedere ad una pagna non n memora l processore genera una trap (page fault) una componente del S.O. (pager) s occupa d carcare la pagna mancante e d aggornare d conseguenza la tabella delle pagne Swappng s. Pagng A B C D E F G H logcal memory frame ald nald bt 9 page table 8 9 A C F A B C D E F Spesso s confonde swappng con pagng Swap: con questo termne ds ntende l azone d copare l ntera area d memora usata da un processo dalla memora secondara alla memora prncpale (swap-n) dalla memora prncpale alla memora secondara (swap-ou) Utlzzata fno all ntroduzone del demand pagng Swapper: processo che mplementa una poltca d swappng (schedulng d medo termne) physcal memory Demand Pagng

3 Gestone del Page Fault scambo (tra memora prncpale e secondara) d grupp d pagne appartenent a process può essere sta come una tecnca d swap d tpo (lazy), coè ene carcato solo cò che sere Vedamo pù n dettaglo come ene gestto un page fault Supponamo che la memora prncpale sa completamente allocata Pager: processo che mplementa una poltca d gestone delle pagne de process Anche se è una termnologa obsoleta, n alcun S.O. l pager ene chamato swapper (es.: Lnux: kswapd) Il processo n CPU esegue l struzone load M doe M è un ndrzzo rtuale Il S.O. controlla che M sa un ndrzzo all nterno dello spazo d ndrzzamento del processo n questone; n caso contraro genera una eccezone (segmentaton fault) e abortsce l programma La swap area ndca comunque l area utlzzata dal pager n memora secondara (per osptare le pagne) Se l accesso è aldo e la pagna logca rchesta è n memora prncpale: s accede alla locazone d memora nella corrspondente pagna fsca e s completa l struzone 8 Gestone de Page Fault - Esempo Se la pagna logca rchesta non è n memora prncpale (bt d aldtà=): page s on backng store s noca (tramte una trap) la routne d gestone de page fault che dee: Troare qualche pagna n memora, che non sa usata, e scarcarla nella swap area su dsco (swap-out della pagna) operatng system reference trap Carcare la pagna rchesta nel frame così lberato (swap-n della pagna) Aggornare le tabelle delle pagne (settando l bt d aldtà a ) load M restart nstructon page table free frame L struzone che ha causato l page fault dee essere reseguta n modo consstente reset page table brng n mssng page physcal memory 9

4 Performance della pagnazone su rchesta Valutazone della pagnazone su rchesta Sa p la frequenza d page fault p : - se p = non sa hanno page fault - se p = ogn rfermento n memora porta ad un page fault Inoltre sano - T m = tempo per un accesso alla memora prncpale - T pf = oerhead per la gestone del page fault - T sn = tempo rchesto per swap-n - T sout = tempo rchesto per swap-out - T r = oerhead rchesto per restart d un struzone Allora l tempo effetto d accesso n memora (EAT ) corrsponde a EAT = ( p) T m + p (T pf + T sn + T sout + T r ) Supponamo che T m = nsec (tempo accesso alla mem. prncpale) e che T sn = T sout = msec = nsec Inoltre assumamo che l % delle olte che una pagna dee essere rmpazzata debba essere scarcata su dsco coè con frequenza p/ dobbamo effettuare sa swap-n che swap-out Supponamo che l oerhead d page fault e restart sano trascurabl allora EAT = ( p) + (T sn + T sout ) p/ + (T sn ) p/ = ( p) +. p+ = + (. )p(nsec) S ha un degrado del % rspetto a T m (coè EAT percento d T m ) quando = + (. ) p coè p = /(. ) = / coè se s erfca un page fault ogn mlone (crca) d rferment n memora Creazone de process: Copy-on-Wrte Consderazon sul Demand Pagng La memora rtuale con demand pagng porta de benefc anche alla fase d creazone de process, ad esempo con tecnche qual Copy-on-Wrte: Problema d performance: sere un algortmo d rmpazzamento che port al mnor numero d page fault possble L accesso all area d swap dee essere l pù eloce possble e qund è meglo tenerla separata dal fle system (possblmente anche su un dece dedcato) ed acceder drettamente (senza passare per l fle system). La tecnca del Copy-on-Wrte permette al padre e al fglo d conddere nzalmente le stesse pagne n memora. Una pagna ene copata se e quando ene acceduta n scrttura. Questa tecnca permette una creazone pù eloce de process Per etare problem d consstenza d dat le pagne lbere deono essere allocate da un set d pagne azzerate

5 Memory-Mapped I/O La memora rtuale con demand pagng può essere utlzzata anche per rendere pù effcente la gestone dell I/O, ad esempo con tecnche qual Memory- Mapped fle I/O: La tecnca del Memory-mapped fle I/O permette d gestre l I/O d un fle (dat n memora secondara) tramte access alla memora prncpale: Ogn blocco d un fle ene mappato su una pagna d memora rtuale Stratege ed algortm per l rmpazzamento delle pagne Un fle può essere così letto come se fosse n memora, con demand pagng. Dopo che un blocco è stato letto una olta, rmane carcato n memora senza doerlo rleggere. Conddendo gl stess frame n cu ene carcato, pù process possono conddere lo stesso fle. Sosttuzone delle pagne Sosttuzone delle pagne (cont.) Aumentando l grado d multprogrammazone, la memora ene sorallocata: la somma degl spaz logc de process n esecuzone è superore alla dmensone della memora fsca Ad un page fault, può succedere che non esstono frame lber S modfca la routne d gestone del page fault aggungendo la sosttuzone delle pagne che lbera un frame occupato (ttma) Bt d modfca (drty bt): segnala qual pagne sono state modfcate, e qund deono essere salate su dsco. Rduce l oerhead. Il rmpazzamento d pagna completa la separazone tra memora logca e memora fsca: una memora logca d grand dmenson può essere mplementata con una pccola memora fsca. PC H load M J M logcal memory for user A B D E logcal memory for user frame frame ald nald bt page table for user ald nald bt page table for user montor D H load M J A E physcal memory B M

6 Algortm d rmpazzamento delle pagne frame ald nald bt f page table change to nald reset page table for new page f ctm swap out ctm page swap desred page n È un problema molto comune, non solo nella gestone della memora (es: cache d CPU, d dsco, d web serer... ) S mra a mnmzzare l page-fault rate. In generale (ma non sempre) maggore memora mplca mnor tasso d page fault Un modo per alutare quest algortm: proarl su una sequenza prefssata d access alla memora, e contare l numero d page fault. physcal memory In tutt nostr esemp, la sequenza sarà d pagne n questo ordne,,,,,,,,,,,. 8 Algortmo Frst-In-Frst-Out (FIFO) page fault! S rmpazza la pagna che da pù tempo è n memora Data la sequenza:,,,,,,,,,,,. Con frame ( pagne per olta possono essere n memora): 9 page fault number of page faults 8 Con frame: page fault Il rmpazzamento FIFO soffre dell anomala d Belady: + memora fsca number of frames 9

7 Algortmo ottmale (OPT o MIN) Algortmo Least Recently Used (LRU) S rmpazza la pagna che non errà rusata per l perodo pù lungo Data la sequenza con frame: page fault,,,,,,,,,,,. Tra tutt gl algortm, è quello che porta al mnore numero d page fault e non soffre dell anomala d Belady Ma come s può preedere quando errà rusata una pagna? Algortmo usato n confront con altr algortm Approssmazone d OPT: studare l passato per preedere l futuro S rmpazza la pagna che da pù tempo non ene usata Con frame: 8 page fault È la soluzone ottma con rcerca all ndetro nel tempo: LRU su una strnga d rferment r è OPT sulla strnga reerse(r) Qund la frequenza d page fault per la LRU è la stessa d OPT su strnghe nertte. Non soffre dell anomala d Belady (è un algortmo d stack) Generalmente è una buona soluzone Problema: LRU necessta d noteole assstenza hardware Matrce d memora Dato un algortmo d rmpazzamento, e una reference strng, s defnsce la matrce d memora: M(m, r) è l nseme delle pagne carcate all stante r aendo m frames a dsposzone Esempo d matrce d memora per LRU: Reference strng Page faults P P P P P P P P P P P Dstance strng Algortm d Stack Un algortmo d rmpazzamento s dce d stack se per ogn reference strng r, per ogn memora m: M(m, r) M(m +, r) Ad esempo, OPT e LRU sono algortm d stack. FIFO non è d stack Fatto: Gl algortm d stack non soffrono dell anomala d Belady.

8 Implementazone a contator Implementazon d LRU La MMU ha un contatore (- bt) che ene automatcamente ncrementato dopo ogn accesso n memora. Ogn entry nella page table ha un regstro (reference tme) ogn olta che s rfersce ad una pagna, s copa l contatore nel regstro della entry corrspondente Quando s dee lberare un frame, s cerca la pagna con l regstro pù basso Molto dspendoso, se la rcerca ene parallelzzata n hardware. Implementazone a stack Implementazon d LRU (Cont.) s tene uno stack d numer d pagna n un lsta double-lnked (puntator next, preous, head, tal) Quando s rfersce ad una pagna, la s sposta sul top dello stack (Rchede la modfca d puntator). Quando s dee lberare un frame, la pagna da swappare è quella n fondo allo stack: non sere fare una rcerca Implementable n software (mcrocodce). Costoso n termn d tempo. Approssmazon d LRU: reference bt e NFU Approssmazon d LRU: agng Bt d rfermento (reference bt) Assocare ad ogn pagna un bt R, nzalmente = Quando s rfersce alla pagna, R ene settato a S rmpazza la pagna che ha R = (se esste). Non s può conoscere l ordne: mprecso. Varante: Not Frequently Used (NFU) Aggungere bt supplementar d rfermento, con peso derso. Ad ogn pagna s assoca un array d bt, nzalmente = Ad nterall regolar, un nterrupt del tmer fa partre una routne che sposta d un bt a destra (rght-shft) gl array d tutte le pagne mmettendo nel bt pù sgnfcato d ogn array l corrspondente bt d rfermento, che po ene posto a S rmpazza la pagna che ha l numero bnaro pù pccolo nell array Ad ogn pagna s assoca un contatore Ad nterall regolar (tck, tp. -ms), per ogn entry s somma l reference bt al contatore. Problema: pagne usate molto tempo fa contano come quelle recent Dfferenze con LRU: Non può dstngure tra pagne accedute nello stesso tck. Il numero d bt è fnto la memora è lmtata

9 In genere comunque è una buona approssmazone. Approssmazon d LRU: CLOCK (o Second chance ) Page R bts for pages -, clock tck (a) R bts for pages -, clock tck (b) R bts for pages -, clock tck (c) R bts for pages -, clock tck n page 9 use = (d) Buona approssmazone d LRU; usato (con arant) n molt sstem n page 9 use = page 9 use = next frame ponter page use = Frst frame n crcular buffer of frames that are canddates for replacement page use = 8 page use = page use = page use = R bts for pages -, clock tck se ha l bt =, allora Frst frame n crcular buffer of frames that are mposta l reference bt. canddates for replacement page 9 use = lasca la pagna n memora page use = passa alla prossma pagna, seguendo le stesse regole next frame ponter page use = (e) page use = page use = page 9 use = (a) State of buffer just pror to a page replacement n page 9 use = page 9 use = page use = page use = Idea d base: se una pagna è stata usata pesantemente d recente, allora probablmente errà usata pesantemente anche prossmamente. Utlzza l reference bt. S segue un ordne ad orologo Se la pagna canddato ha l reference bt =, rmpazzala Nota: se tutt bt=, degenera n un FIFO Approssmazon d LRU: CLOCK mglorato Usare due bt per pagna: l reference (r) e l drty (d) bt non usata recentemente, non modfcata (r =, d = ): buona non usata recentemente, ma modfcata (r =, d = ): meno buona usata recentemente, non modfcata (r =, d = ): probablmente errà rusata usata recentemente e modfcata (r =, d = ): molto usata 8 8 page use = page 9 use = 8 page use = page 9 use = s scandsce la coda de frame pù olte page use = page use = page use = page use = page use = page use = page use = page use =. cerca una pagna con (,) senza modfcare bt; fne se troata. cerca una pagna con (,) azzerando reference bt; fne se troata (a) State of buffer just pror to a page replacement (b) State of buffer just after the next page replacement. a a. n Usato nel MacOS tradzonale (fno a 9.x) page 9 use = page 9 use = 9

10 n - Frst frame n crcular buffer for ths process Thrashng Page not accessed modfed Page 9 not accessed Page 9 modfed not accessed not modfed Se un processo non ha abbastanza pagne, l page-fault rate è molto alto. Questo porta a basso utlzzo della CPU ( process sono mpegnat n I/O) 9 Page not accessed not modfed Page 9 accessed not modfed l S.O. potrebbe pensare che dee aumentare l grado d multprogrammazone (errore!) 8 Next replaced Page not accessed not modfed Page not accessed modfed Page accessed not modfed Page 9 accessed not modfed Page 9 not accessed Page modfed accessed not modfed Last replaced un altro processo ene carcato n memora Thrashng: uno o pù process spendono la maggor parte del loro tempo a swappare pagne dentro e fuor Il thrashng d un processo aene quando la memora assegnatagl è nferore a quella rchesta dalla sua localtà Il thrashng del sstema aene quando la memora fsca è nferore somma delle localtà Fgure 8. de process The Clock n Page-Replacement esecuzone. Può essere Algorthm causato [GOLD89] da un processo che s espande e n presenza d rmpazzamento globale. Prncpo d localtà CPU utlzaton degree of multprogrammng thrashng Ma allora, perché la pagnazone funzona? Per l prncpo d localtà Una localtà è un nseme d pagne che engono utlzzate attamente asseme dal processo. Il processo, durante l esecuzone, mgra da una localtà all altra Le localtà s possono sorapporre page numbers memory address 8 8 executon tme

11 Impedre l thrashng: modello del workng-set workng-set wndow un numero fsso d rferment a pagne Esempo: le pagne a cu hanno fatto rfermento le ultme, nstruzon W SS (workng set del processo P ) = numero totale d pagne rferte nell ultmo perodo. Vara nel tempo. Se è troppo pccolo, l WS non copre l ntera localtà Se è troppo grande, copre pù localtà Se = copre l ntero programma e dat D = Σ W SS totale frame rchest. Sa m = n. d frame fsc dsponble. Se D > m thrashng. Approssmazone del workng set: regstr a scorrmento Algortmo d allocazone basato sul workng set l sstema montorzza l ws d ogn processo, allocandogl frame suffcent per coprre l suo ws alla creazone d un nuoo processo, questo ene ammesso nella coda ready solo se c sono frame lber suffcent per coprre l suo ws se D > m, allora s sospende uno de process per lberare la sua memora per gl altr (dmnure l grado d multprogrammazone schedulng d medo termne) S mpedsce l thrashng, massmzzando nel contempo l uso della CPU. Approssmazone del workng set: tempo rtuale S approssma con un tmer e l bt d rfermento Esempo: = S mantengono due bt per ogn pagna (oltre al reference bt) l tmer manda un nterrupt ogn untà d tempo Quando arra l nterrupt, s shfta l reference bt d ogn pagna ne due bt n memora, e lo s cancella Quando s dee sceglere una ttma: se uno de tre bt è a, allora la pagna è nel workng set Implementazone non completamente accurata (scarto d access) Mgloramento: bt e nterrupt ogn untà d tempo pù precso ma anche pù costoso da gestre S mantene un tempo rtuale corrente del processo (=n, d tck consumat da processo) S elmnano pagne pù ecche d τ tck Ad ogn pagna, ene assocato un regstro contenente l tempo d ultmo rfermento Ad un page fault, s controlla la tabella alla rcerca d una ttma. se l reference bt è a, s copa l TVC nel regstro corrspondente, l reference ene azzerato e la pagna ene saltata se l reference è a e l età > τ, la pagna ene rmossa se l reference è a e l età τ, segnat quella pù eccha (con mnore tempo d ultmo rfermento). Alla peggo, questa ene cancellata.

12 Current rtual tme Algortmo d rmpazzamento WSClock Informaton about one page 8 R (Referenced) bt Varante del Clock che tene conto del Workng Set. Inece d contare rferment, s tene conto d una fnestra temporale τ fssata (es. ms) s mantene un contatore del tempo d CPU mpegato da ogn processo Tme of last use Page referenced durng ths tck Page not referenced durng ths tck 98 Page table Scan all pages examnng R bt: f (R == ) set tme of last use to current rtual tme f (R == and age > τ) remoe ths page f (R == and age τ) remember the smallest tme le pagne sono organzzate ad orologo; nzalmente, lsta uota ogn entry contene reference e drty bt R, M, e un regstro Tme of last use, che ene copato dal contatore ad ogn reference. La dfferenza tra questo regstro e l contatore s chama età della pagna. ad un page fault, s guarda prma la pagna ndcata dal puntatore se R =, s mette R = e s passa aant se R = e età τ: è nel workng set: s passa aant Current rtual tme 8 8 se R = e età > τ: se M = allora s lbera la pagna, altrment s schedula un pageout e s passa aant Cosa succede se s fa un gro completo? se almeno un pageout è stato schedulato, s contnua a grare (aspettando che le pagne schedulate engano salate) 98 (a) Tme of last use R bt 98 (b) altrment, sgnfca che tutte le pagne sono nel workng set. Soluzone semplce: s rmpazza una quassas pagna pulta. 8 8 Se non c sono neanche pagne pulte, s rmpazza la pagna corrente (c) (d) New page

13 Impedre l thrashng: frequenza d page-fault Sosttuzone globale s. locale Sosttuzone locale: ogn processo può rmpazzare solo proprî frame. page-fault rate upper bound ncrease number of frames Mantene fsso l numero d frame allocat ad un processo (anche se c sono frame lber) Il comportamento d un processo non è nfluenzato da quello degl altr process number of frames lower bound decrease number of frames Sosttuzone globale: un processo scegle un frame tra tutt frame del sstema Un processo può rubare un frame ad un altro S stablsce un page-fault rate accettable Se quello attuale è troppo basso, l processo perde un frame Se quello attuale è troppo alto, l processo guadagna un frame Nota: s controlla solo l n. d frame assegnat, non qual pagne sono carcate. Sfrutta meglo la memora fsca l comportamento d un processo dpende da quello degl altr Dpende dall algortmo d rmpazzamento scelto: se è basato su un modello d ws, s usa una sosttuzone locale, altrment globale. 8 Algortm d allocazone de frame Ogn processo necessta d un numero mnmo d pagne mposto dall archtettura (Es.: su IBM, possono essere necessare pagne per poter esegure l struzone MOV) Allocazone proporzonale: un numero d frame n proporzone a dmensone del processo sua prortà (Soltamente, a page fault s prendono frame a process a prortà nferore) Ders mod d assegnare frame a arî process Allocazone lbera: dare a qualsas processo quante frame desdera. Funzona solo se c sono suffcent frame lber. Allocazone equa: stesso numero d frame ad ogn processo Porta a sprech (non tutt process hanno le stesse necesstà) Esempo: due process da e pagne, su frame: + = + = L allocazone ara al arare del lello d multprogrammazone: se arra un terzo processo da frame: + + = + + = = 8 9

14 Bufferng d pagne Altre consderazon Aggungere un nseme (free lst) d frame lber agl schem st Prepagng: usate carcare n antcpo le pagne che probablmente erranno l sstema cerca d mantenere sempre un po d frame sulla free lst quando s lbera un frame, se è stato modfcato lo s sala su dsco s mette l suo drty bt a s sposta l frame sulla free lst senza cancellarne l contenuto quando un processo produce un page fault s ede se la pagna è per caso ancora sulla free lst (soft page fault) altrment, s prende dalla free lst un frame, e s carca la pagna rchesta dal dsco (hard page fault) applcato al lanco de programm e al rprstno d process sottopost a swapout d medo termne Selezone della dmensone della pagna: soltamente mposta dall archtettura. Dmensone tpca: K-8K. Influenza frammentazone: meglo pccola dmenson della page table: meglo grande quanttà d I/O: meglo pccola tempo d I/O: meglo grande localtà: meglo pccola n. d page fault: meglo grande Altre consderazon (cont.) La struttura del programma può nfluenzare l page-fault rate Array A[,] of nteger Ogn rga è memorzzata n una pagna Un frame a dsposzone Programma for j := to do for := to do A[, j] := ; page faults Programma for := to do for j := to do A[, j] := ; page faults Durante I/O, frame contenent buffer non possono essere swappat I/O solo n memora d sstema costoso Lockare n memora frame contenent buffer d I/O (I/O nterlock) delcato (un frame lockato potrebbe non essere pù rlascato)