Processi e memoria. Ges&one della memoria. Rilocazione. Indirizzi. Rilocazione e protezione. Memory Management Unit (MMU)

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1 Processi e memoria Ges&one della memoria Tu6 i processi in esecuzione necessitano della memoria centrale per memorizzare: le istruzioni che fanno parte del codice i da& su cui operano A. Ferrari Indirizzi Indirizzi simbolici nel codice sorgente gli indirizzi sono espressi in modo simbolico e&che@e simboliche (label) in assembler iden&ficatori di variabili nei linguaggi ad alto livello Indirizzi logici l'assemblatore (o il compilatore) trasforma gli indirizzi simbolici in valori binari che non rappresentano ancora però un vero indirizzo di memoria. In genere gli indirizzi logici sono calcola& a par&re da un indirizzo iniziale che vale in genere zero (indirizzi binari logici rela&vi a zero) Indirizzi virtuali il linker completa i riferimen& ai vari moduli e genera indirizzi che non sono ancora però riferimen& fisici alla memoria Rilocazione Indirizzi fisici Gli indirizzi virtuali possono essere finalmente trado6 in indirizzi di memoria fisica. Questa operazione di traduzione, in sostanza, cos&tuisce uno dei compi& fondamentali del gestore della memoria. La traduzione degli indirizzi virtuali in indirizzi fisici è definita rilocazione Rilocazione e protezione Per evitare che un processo faccia riferimento a zone di memoria appartenen& ad al& processi mol& sistemi u&lizzano registri speciali di protezione(registri limite) per controllare ed eventualmente inibire riferimen& non autorizza&. Ques& metodi sono o@enibili con sistemi dota& di MMU e i registri base e limite ad esempio possono essere considera& elemen& della MMU del sistema. Memory Management Unit (MMU) E' un componente hardware che ges&sce le richieste di accesso alla memoria generate dalla CPU Una Memory Management Unit (MMU) ha vari compi&, tra cui la traduzione degli indirizzi virtuali in indirizzi fisici, la protezione della memoria, il controllo della cache della CPU... La MMU è integrata nei moderni microprocessori 1

2 Rilocazione sta&ca La rilocazione sta&ca è quel meccanismo per cui il caricatore del SO, dopo aver l'intero programma e prima di porlo in esecuzione, rialloca in memoria tu@o il codice ada@ando gli indirizzi virtuali alle posizioni a@ualmente disponibili nella memoria fisica. Il caricatore in questo caso viene de@o rilocante; dopo la rilocazione sta&ca il programma in memoria ha assunto riferimen& di memoria fisica che non potranno più cambiare per tu@a la durata dell'esecuzione. Rilocazione dinamica Il SO rialloca il codice durante l'esecuzione del programma, u&lizzando elemen& di MMU. In questo caso il caricatore non riloca gli indirizzi virtuali del linker ma li carica in memoria così come il linker li ha genera& nel file eseguibile: vengono quindi carica& gli indirizzi virtuali genera& dal linker. Run- &me ogni indirizzo viene trado@o nel corrispondente indirizzo fisico prima di accedere alla memoria. A differenza della rilocazione sta&ca la rilocazione dinamica perme@e ai programmi di essere carica& in aree di memoria differen& durante l'esecuzione; sarà sufficiente modificare le informazioni contenute nel meccanismo hardware che realizza la funzione di rilocazione (meccanismo di MMU). Allocazione Tecnica con cui il SO concede ed assegna memoria ai programmi. Allocazione sta&ca processi carica& in memoria che sono alloca& una sola volta e sono revoca& dalla memoria solo al termine dell'esecuzione Allocazione dinamica processi che in esecuzione possono vedersi revocata e riallocata la memoria più volte, in genere con operazioni di swapping da e per la memoria secondaria (swap in e swap out) Memoria e mul&processing Più processi sono a6vi contemporaneamente Ogni processo necessita di memoria per le istruzioni e i da& Il Sistema Opera&vo deve ges&re la protezione dei da& e delle istruzioni rela&vi a ogni singolo processo il riu&lizzo delle zone di memoria non più u&lizzate dai processi Memoria suddivisa in se@ori A ogni processo viene assegnato un se@ore di memoria compreso fra un indirizzo iniziale e uno finale Il gestore della memoria ges&sce una tabella di indirizzi in cui associa ad ogni processo il suo indirizzo iniziale e finale Se@ori: indirizzi Indirizzo logico (generato sta&camente) Il compilatore assume che l'indirizzo di partenza per i da& e le istruzioni sia l'indirizzo 0 (zero) Indirizzo fisico (generato dinamicamente) In fase di esecuzione gli indirizzi vengono trasla& sommando l'indirizzo di partenza del se@ore associato al processo (operazione effe@uata run &me dalla MMU) Un indirizzo di memoria con&ene una parte che iden&fica un se@ore, e una parte che specifica l'offset entro il se@ore. 2

3 problemi Il problema principale è la frammentazione della memoria: quando termina un processo viene rilasciato il suo di memoria che può essere associato a un nuovo processo che richiede una quan&tà di memoria minore o uguale a quella rilasciata le par& inu&lizzate dei se@ori portano a una progressiva frammentazione (potrebbe essere disponibile memoria sufficiente per allocare un processo ma non in un se@ore con&nuo) Strategie di allocazione Le strategie di allocazione stabiliscono il criterio scelto per creare o scegliere le par&zioni per i programmi che le richiedono. First fit Individua la prima par&zione a@a a contenere il programma e, quindi, tra le par&zioni disponibili, viene scelta quella con indirizzi più bassi. Tale tecnica è efficiente per mantenere compa@ate le zone rilasciate. Best first Ricerca nella tabella la par&zione più piccola a@a a contenere il programma. In questo modo si vengono a creare numerose par&zioni libere molto ristre@e e quindi si aumenta la frammentazione. Worst fit Tra le par&zioni libere a@e a contenere il programma, sceglie quella più ampia, per a@enuare l'effe@o della frammentazione. Compa@azione In alcuni casi la riduzione della frammentazione si può o@enere con una tecnica de@a di compa@azione della memoria. In questo modo il SO predispone un algoritmo che periodicamente controlla lo stato della memoria e quando necessario interrompe le esecuzioni per compa@are in modo con&guo tu@a la memoria allocata eliminando i buchi e aggiornando la tabella della memoria. Paginazione La memoria principale viene «vista» dal processore come un array di se@ori aven& tu6 la stessa dimensione predefinita. Il sistema opera&vo assegna a ogni processo in esecuzione un numero di pagine sufficiente per contenere il codice e i da&. Le pagine non sono necessariamente con&gue. Tabella delle pagine Organizzazione in pagine 3

4 Traslazione degli indirizzi Per la traslazione degli indirizzi ogni processo è dotato di una tabella di corrispondenza fra pagina logica e pagina fisica MMU e paginazione Il compito della MMU è più complesso Per la traduzione da indirizzo logico a indirizzo fisico: si individua la pagina logica poi si individua la corrispondente pagina fisica Dimensione delle pagine Il compito della MMU Se la dimensione di una pagina è una potenza di 2 gli indirizzi vengono di fa@o spezza& in due: i primi bit determinano la pagina i successivi determinano l indirizzo interno alla pagina (offset) La traslazione sos&tuisce i bit rela&vi alla pagina fisica q quelli rela&vi alla pagina logica e lascia inaltera& i restan& bit Esempio: indirizzo logico (pagine da 8Kb) (pagina 1, indirizzo 0x1110) Indirizzo fisico: (pagina 4, indirizzo 0x1110) Frammentazione Processi in memoria Il problema della frammentazione è risolto Al termine di un processo vengono liberate tu@e le pagine u&lizzate da questo Un nuovo processo ha a disposizione tu@e le pagine rimaste libere 4

5 Dimensione della tabella delle pagine Gli processori indirizzano memorie di grandi dimensioni e la dimensione della tabella delle pagine risulta troppo grande per essere contenuta nella MMU Per esempio con RAM da 4Gb e pagine da 4Kb (sia Windows che Linux u&lizzano pagine da 4Kb) si hanno più di un milione di pagine La tabella viene quindi memorizzata nella RAM e solo una copia di una piccola parte di questa risiede nella MMU Memoria virtuale I processi a6vi in un sistema opera&vo mul&tasking sono mol& ed è probabile che il numero complessivo delle pagine richieste da tu6 i processi sia superiore al numero di pagine di memoria effe6vamente disponibili Pra&camente tu6 i moderni sistemi opera&vi implementano la tecnica della memoria virtuale : il gestore della memoria me@e a disposizione un numero di pagine superiore a quelle presen& nella memoria fisica Alcune pagine sono salvate temporaneamente nella memoria di massa (normalmente hard disk) La memoria di massa u&lizzata a questo scopo è comunemente chiamata, in ambiente Unix- Linux, swap o spazio di swap, mentre, in ambiente Windows, è chiamata file di paging. Pagine logiche e fisiche Prestazioni La memoria di massa ha tempi di accesso estremamente più len& della memoria centrale: memoria centrale nanosecondi (circa 10-8 secondi) memoria di massa 2-4 microsecondi (circa 10-3 secondi) E necessario quindi ridurre al minimo le operazioni di swapping (spostamento delle pagine dallo spazio di swap alla memoria fisica) Località del codice Normalmente un processo in ogni fase della sua esecuzione fa riferimento a istruzioni e da& contenu& in poche pagine di memoria con&gue. Località delle istruzioni: l esempio classico è un ciclo che ripete più volte istruzioni consecu&ve Località dei da&: la stru@ura più comunemente u&lizzata è l array in cui i da& sono con&gui in memoria Tabella delle pagine La MMU trasla gli indirizzi Se la pagina non è presente in memoria (page- fault) il processo viene posto in stato di wait in a@esa che la pagina venga caricata in memoria Il gestore della memoria recupera la pagina, aggiorna la tabella delle pagine e riporta il processo in ready 5

6 Page- fault Ogni page fault rallenta dras&camente l esecuzione di un processo che deve transitare dallo stato di wait e deve a@endere il caricamento della pagina dalla memoria di massa Se non sono disponibili pagine libere in memoria centrale è necessario sos&tuire una pagina dello stesso processo (allocazione locale) o di un altro processo (allocazione globale) Poli&che per la ges&one del page- fault FIFO (First In First Out) la pagina da rimuovere è la prima che è stata caricata. L idea è che le pagine vecchie non vengano più u&lizzate in futuro LRU (Least Recently Used) la pagina da rimuovere è quella inu&lizzata da più tempo. L idea è che se non è u&lizzata da molto tempo non verrà più u&lizzata LFU (Least Frequently Used) la pagina da rimuovere è quella meno u&lizzata. L idea è che se è stata poco u&lizzata sarà poco u&lizzata anche in futuro Strumen& per la ges&one delle poli&che FIFO è sufficiente memorizzare per ogni pagina il momento del caricamento in memoria LRU deve essere memorizzato il tempo ad ogni accesso alla pagina LFU deve essere memorizzato un contatore incrementato ad ogni accesso alla pagina per semplificare la ges&one si u&lizza un bit che viene se@ato se di fa accesso a una pagina (i bit vengono periodicamente azzera&) la poli&ca diventa quindi NRU (Not Recently Used) Swapping Se una pagina viene eliminata dalla memoria centrale deve essere copiata sulla memoria di massa Un dirty bit se@ato se la pagina viene modificata può essere u&lizzato per evitare questa fase di riscri@ura su disco (molto spesso per le pagine di codice) Codice condiviso Windows e Linux Mol& sistemi opera&vi prevedono l uso di funzioni condivise fra vari processi linux shared objects windows DLL (Dynamic Link Library) Queste funzioni vengono caricate solo se u&lizzate e in questo caso condivise fra i vari processi 6