Sistemi Operativi. 5 Gestione della memoria

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1 Gestione della memoria Compiti del gestore della memoria: Tenere traccia di quali parti della memoria sono libere e quali occupate. Allocare memoria ai processi che ne hanno bisogno. Deallocare la memoria di un processo quando questi non ne fa più uso. Gestire le operazioni di trasferimento tra memoria di massa e memoria centrale: swap-in swap-out Problema della rilocazione degli indirizzi: Indirizzi simbolici: programma sorgente. Indirizzi logici (virtuali) dopo la fase di link Indirizzi fisici indirizzi per l esecuzione, necessità di rilocare gli indirizzi virtuali in indirizzi fisici quando un programma viene caricato in un indirizzo fisico diverso da 0. Rilocazione statica: Effettuata dal caricatore rilocante in fase di caricamento. Le informazioni dipendenti dalla locazione vengono modificate sommandoci l indirizzo iniziale di caricamento (selettore di caricamento). Un programma, una volta caricato e rilocato in memoria fisica, non può essere spostato in un altra area. Rilocazione dinamica: Necessità di un meccanismo che traduca da indirizzi virtuali a indirizzi fisici: y=f(x) x indirizzo virtuale, y corrispondente indirizzo fisico. Un programma può essere caricato in un area di memoria fisica e poi successivamente spostato in un altra area. Modificando le informazioni contenute nel meccanismo hardware (MMU Memory Management Unit) che realizza la funzione di rilocazione, è possibile spostare un programma in aree di memoria differenti. Tecnica delle partizioni fisse. Aspetti positivi: semplicità Inconvenienti: frammentazione interna necessità di tecniche di overlay Meccanismi hardware: meccanismo di protezione: registri di frontiera chiavi di protezione Politecnico di Torino Pagina 1 di 7

2 Tecnica delle partizioni variabili. Aspetti positivi: migliore sfruttamento della memoria rispetto alle partizioni fisse. Inconvenienti: frammentazione esterna necessità di tecniche di overlay. maggiore overhead (gestione delle partizioni libere). Meccanismi hardware: meccanismo di protezione registri di frontiera chiavi di protezione Tecnica delle partizioni rilocabili: Rilocazione dinamica mediante una coppia di registri: registro base RB e registro limite RL: Y=F(X)=X+RB Stesse strategie di allocazione delle partizioni variabili. SWAP-IN e SWAP-OUT Strategia di compattamento per eliminare la frammentazione. Necessità di due coppie di registri base/limite per consentire la condivisione di codice tra processi (l area dati è separata). Notevole overhead per gestire la frammentazione. Paginazione: Meccanismo di rilocazione dinamica che consente di allocare uno spazio virtuale contiguo in aree di memoria fisica non necessariamente contigue. Ciò si ottiene suddividendo sia lo spazio virtuale sia lo spazio fisico in parti (pagine) di dimensioni fisse ed allocando ad ogni processo un numero di pagine fisiche esattamente uguale al numero di pagine virtuali del processo. Paginazione su domanda: Caricamento parziale delle pagine di un processo Se l indirizzo virtuale da tradurre corrisponde ad una pagina non presente in memoria si genera una interruzione (page fault). Caratteristiche della paginazione su domanda (demand paging): Possibilità di eseguire processi con memoria virtuale maggiore della memoria fisica. Il problema della frammentazione viene eliminato automaticamente. Protezione automatica fra spazi virtuali diversi. Tabella della memoria: tabella con tante entrate quante sono le pagine fisiche e ogni entrata indica se la pagina è libera o occupata e da chi. Nel descrittore di un processo ci deve essere l indirizzo della sua tabella delle pagine (in memoria e su disco). Quando si verifica una commutazione di contesto deve essere commutata anche la tabella delle pagine con cui effettuare la traduzione degli indirizzi. Politecnico di Torino Pagina 2 di 7

3 Procedura di page fault: Interruzione di page fault -> ingresso nel nucleo. Salvataggio dello stato del processo. Individuazione del numero della pagina richiesta. Verifica dell esistenza di una pagina fisica libera; altrimenti selezione di una pagina da rimpiazzare. Se la pagina da rimpiazzare è stata modificata bisogna salvarla su disco. Caricamento in memoria della pagina richiesta. Sospensione del processo che ha provocato il page fault in attesa del trasferimento. Aggiornamento della tabella delle pagine all arrivo dell interruzione di fine caricamento. Aggiornamento del registro puntatore all istruzione corrente (IP) per poter rieseguire l istruzione che ha provocato un page fault. Il processo sospeso può essere messo nello stato di pronto. Aspetti critici della paginazione: Necessità di minimizzare il tempo di traduzione degli indirizzi da virtuali a fisici (parte della tabella è mantenuta in una piccola memoria associativa nella MMU). Necessità di risolvere il problema dell allocazione in memoria della tabella delle pagine (paginazione a più livelli). Necessità di realizzare un algoritmo di rimpiazzamento delle pagine tale da minimizzare il numero dei page fault (problema del trashing) Algoritmi di rimpiazzamento delle pagine: FIFO la prima pagina caricata in memoria è quella che viene scaricata in caso di necessità. Least recently used (LRU): viene scaricata la pagina usata meno di recente. È complicato capire da quanto tempo una pagina è in memoria. Clock algorithm: si seleziona come vittima la prima pagina con il bit di uso a 0; se si trova una pagina con il bit di uso ad uno lo si azzero. Segmentazione: Il modo più naturale per un programmatore di concepire la memoria, non è quello di vedere una serie di locazioni contigue, bensì quello di immaginare la memoria divisa in una serie di segmenti, indipendenti tra di loro, contenente ognuno una parte logica del programma: funzioni, strutture dati, stack ecc. Ogni segmento è un sottospazio lineare contiguo di locazioni comprese tra zero e un valore massimo. Ogni segmento è indipendente dagli altri. Differenti segmenti possono avere differenti lunghezze. Un segmento può avere dimensioni variabili all interno delle sue dimensioni massime. Indirizzo composto dal numero di segmento e dallo scostamento all interno del segmento. Per ogni segmento possono essere specificati attributi di protezione. Politecnico di Torino Pagina 3 di 7

4 L ultimo indirizzo di un segmento non è consecutivo al primo indirizzo del segmento successivo. La rilocazione in memoria di ogni segmento avviene tramite una coppia di registri base - limite. Segmentazione paginata: La tecnica più sofisticata di gestione della memoria è costituita dall unione della paginazione e della segmentazione. La segmentazione consente di ottenere tutti i vantaggi di una memoria virtuale non contigua. La paginazione viene applicata per ridurre ulteriormente la frammentazione della memoria fisica. Politecnico di Torino Pagina 4 di 7

5 Esercizi Esercizio 1 Usando la tabella delle pagine: Pagine virtuali Pagine fisiche si diano gli indirizzi fisici corrispondenti ad ognuno dei seguenti indirizzi virtuali, sapendo che ogni pagina ha dimensione di 2KB: a) 20 b) 2500 c) 3750 d) 4560 e) 6375 a) P = 20 DIV 2048 = 0 O = 20 MOD 2048 = 20 Y= 3* = 6164 b) P = 2500 DIV 2048 = 1 O = 2500 MOD 2048 = 452 Y= 5* = c) P = 3750 DIV 2048 = 1 O = 3750 MOD 2048 =1702 Y= 5* = d) P = 4560 DIV 2048 = 2 O = 4560 MOD 2048 = 464 Y= 0* = 464 e) P = 6375 DIV 2048 = 3 O = 6375 MOD 2048 = 231 Y=4* = 8423 Esercizio 2 Si consideri un sistema con buchi di memoria liberi di: 10kb, 4kb, 20kb, 18kb, 7kb, 9kb, 12kb, 15kb, nell ordine. Quali buchi e in che ordine vengono presi per soddisfare le seguenti successive richieste: 12kb, 10kb, 9kb con le seguenti strategie? a) first fit b) best fit c) worst fit a) 20kb, 10kb, 18k b) 12kb, 10kb, 9kb c) 20kb, 18kb, 15kb Politecnico di Torino Pagina 5 di 7

6 Esercizio 3 Supponendo di dover rimpiazzare una pagina di memoria tra quelle indicate in tabella, quale sceglierebbero le seguenti strategie?: a) clock algorithm b) FIFO c) LRU Pagina Tempo Caricamento Ultimo riferimento bit di uso a) la pagina 0 perché ha bit di uso a 0 b) la pagina 2 perché è stata la prima ad essere caricata nel sistema c) la pagina 1 perché è quella che da più tempo non viene riferita. Esercizio 4 Un computer assegna ad ogni processo byte di spazio indirizzabile diviso in pagine di 4096 byte. Un programma particolare ha un testo di dimensione byte, dati di dimensione di byte e lo stack di dimensione di byte. Questo programma riuscirà ad essere contenuto nello spazio di indirizzamento? Se la dimensione delle pagine fosse di 512 byte, rientrerebbe nello spazio di indirizzamento? Si ricordi che una pagina non può contenere parti di due segmenti diversi, ad esempio non può contenere stack e codice. Se la dimensione delle pagine è di 4K, il codice richiederà 8 pagine, la parte dati 5 pagine e lo stack 4 pagine, quindi il programma non può essere interamente contenuto nello spazio di indirizzamento di 16 pagine. Con pagine di 512 byte invece il programma rientra nello spazio di indirizzamento perché delle 128 pagine disponibili, il codice ne occupa 64, i dati 33 e lo stack 31. Esercizio 5 Sia data la tabella delle pagine di un processo di figura. Si supponga che in memoria siano presenti solo le pagine del processo considerato, che però non possono essere interamente contenute in memoria. Dire quanti page fault provoca la stringa di riferimenti alle pagine se la strategia di rimpiazzamento delle pagine è FIFO, nell ipotesi che ad ogni page fault sia necessario scaricare una pagina del processo dalla memoria per caricarne una nuova. Politecnico di Torino Pagina 6 di 7

7 Pagine virtuali Pagine fisiche bit di presenza Tempo di arrivo Il primo riferimento alla pagina 0 non provoca page fault, il secondo riferimento alla pagina 1 provoca un page fault e la pagina rimpiazzata è la pagina virtuale 2. Il riferimento alla pagina 7 provoca un altro page fault e la pagina scaricata è la 0. Il riferimento alla pagina 3 non provoca page fault mentre il riferimento alla pagina 4 ne provoca uno con il rimpiazzamento della pagina 6. Il riferimento alla pagina 5 non provoca page fault, mentre la pagina 0 deve nuovamente essere caricata in memoria, scaricando la pagina 5. L ultimo riferimento a 1 non provoca page fault. In totale i page fault sono 4. Politecnico di Torino Pagina 7 di 7

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