Architettura dei calcolatori e sistemi operativi. M2 Organizzazione della memoria virtuale Struttura dello spazio virtuale kernel e utente

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1 Architettura dei calcolatori e sistemi operativi M2 Organizzazione della memoria virtuale Struttura dello spazio virtuale kernel e utente

2 Architettura Intel x64 Lo spazio di indirizzamento virtuale utilizzabile pari a 2 48 Byte 256 TByte suddiviso in due sottospazi di modo U ed S ambedue da 2 47 Byte 128 TByte FFF FFFF FFFF User Space 2 47 Byte 128 TByte FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF Non-canonical area Kernel Space 2 47 Byte 128 TByte 2

3 Struttura della memoria virtuale del Sistema Operativo Indirizzi virtuali del Kernel (2 47 Byte) da FFFF a FFFF FFFF FFFF FFFF Lo spazio virtuale è suddiviso in 5 aree principali: codice e i dati del sistema operativo: 0,5 Gb (512 Mb) moduli a caricamento dinamico: 1,5 Gb dati dinamici del Kernel: 32 Tb mappatura della memoria fisica: 2 46 byte = 64 Terabyte, (per permettere al codice del Kernel di accedere direttamente a indirizzi fisici) mappatura della memoria virtuale: è un area utilizzata per ottimizzare particolari configurazioni discontinue della memoria, e non verrà trattata da noi tra queste aree esistono spazi non utilizzati e lasciati per usi futuri 3

4 Struttura della memoria virtuale del kernel Area Mappatura memoria fisica Memoria dinamica del kernel Mappatura della memoria virtuale Costanti simboliche per indirizzi iniziali Indirizzo iniziale PAGE_OFFSET ffff TB VMALLOC_START ffff c TB VMEMMAP_START ffff ea00.. 1TB Dimensioni Codice e dati _START_KERNEL_MAP ffff ffff ,5GB Area per caricare i moduli MODULES_VADDR ffff ffff a0.. 1,5GB 4

5 PAGE_OFFSET Accesso agli indirizzi fisici da parte del SO -1 il SO deve essere in grado di utilizzare direttamente gli indirizzi fisici, anche se, come tutto il Software, esso in esecuzione genera solo indirizzi virtuali Ad esempio: nella Tabella delle Pagine gli indirizzi sono fisici, perché vengono utilizzati direttamente dall Hardware nell accesso alla memoria per operare sulla TP (crearla e aggiornarla) il SO deve essere in grado di utilizzare indirizzi fisici (senza passare dalla conversione NPV-NPF) Questa funzionalità è realizzata nel modo seguente: una parte dello spazio virtuale del SO è dedicato alla mappatura 1:1 della memoria fisica. Questo significa che gli indirizzi virtuali associati a tale area vengono tradotti (quasi) 1:1 in indirizzi fisici e viceversa l indirizzo iniziale di tale area virtuale è definito dalla costante PAGE_OFFSET, il cui valore varia nelle diverse architetture 5

6 PAGE_OFFSET Accesso agli indirizzi fisici da parte del SO -2 la dimensione massima dell area virtuale di mappatura è attualmente di 64TB la dimensione effettiva dell area virtuale di mappatura dipende dalla memoria fisica effettivamente installata. Ad esempio se è installata una memoria fisica di 2MB l indirizzo virtuale iniziale dell area di mappatura è pari a PAGE_OFFSET (0x FFFF ) e corrisponde all indirizzo fisico 0 l indirizzo virtuale finale dell area di mappatura è pari a PAGE_OFFSET (0x FFFF ) + 0x F FFFF e corrisponde all indirizzo fisico 2M - 1 per indirizzi virtuali compresi tra questi due valori l operazione di traduzione è la seguente indirizzo fisico = indirizzo virtuale - PAGE_OFFSET indirizzo virtuale = indirizzo fisico + PAGE_OFFSET 6

7 Mem Virt del SO Mappatura della memoria fisica Ind virtuali ffff NPV = (0 + PAGE_OFFSET) Ind fisico pag. 0 Mem. Fisica NPV = (K + PAGE_OFFSET) pag. K L indirizzo virtuale viene tradotto immediatamente in indirizzo fisico e viceversa 7

8 Mappatura virtuale/fisica degli indirizzi Nel codice del SO esistono funzioni che eseguono la conversione tra indirizzi fisici e virtuali dell area di rimappatura con gli opportuni controlli. Ad esempio, la funzione unsigned long phys_addr(unsigned long x) esegue una serie di controlli e se tutto va bene restituisce x PAGE_OFFSET, dove x è l indirizzo virtuale Ad esempio, gli indirizzi virtuali limite della spila (8 K) di un processo sono 0xFFFF C xFFFF C Confrontandoli con la mappa del SO vediamo che tali indirizzi si trovano nell area di mappatura fisica del nucleo Le aree di spila dei processi sono allocate dinamicamente dal SO e il loro indirizzo fisico viene ottenuto al momento di tale allocazione, tramite l opportuna funzione di allocazione l indirizzo fisico viene trasformato in un indirizzo virtuale dell area di mappatura della memoria fisica e memorizzato nel descrittore del processo: in questo modo può essere utilizzato dal sistema 8

9 Struttura della memoria virtuale dei processi La memoria virtuale di un processo LINUX è suddivisa in un certo numero di aree di memoria virtuale (virtual memory area) per differenziare le diverse parti del programma eseguibile Possibilità di differenziare diritti di accesso Possibilità di crescita di alcune aree (es heap, pila) Possibilità di condividere alcune pagine tra processi Ogni area di memoria virtuale è caratterizzata da una coppia di indirizzi virtuali di pagina che ne definiscono l inizio e la fine: NPV iniziale, NPV finale 9

10 Aree di memoria virtuale Codice: istruzioni del programma da eseguire Dati statici: dati allocati per tutta la durata di un programma Dati dinamici: dati allocati dinamicamente su richiesta del programma (in C, heap allocata tramite malloc); il limite corrente di quest area è indicato dalla variabile BRK contenuta nel descrittore del processo Memoria condivisa: area dati di un processo che può essere acceduta anche da altri processi in base a regole definite dai meccanismi di comunicazione tra processi tramite condivisione della memoria. Librerie dinamiche (shared libraries o dynamic linked libreries): sono librerie non incorporate staticamente nel programma eseguibile dal linker ma vengono caricate in memoria durante l esecuzione del programma in base alle esigenze. Possono essere condivise tra diversi programmi. Pila: area di pila di modo U del processo, che contiene tutte le variabili ad allocazione automatica delle funzioni di un programma C 10

11 Aree della memoria virtuale del processo Indirizzi dell eseguibile: codice inizia 0x dati iniziano 0x Le pile per i thread vengono create in un area che inizia all indirizzo 7F7F FFFF FFFF e cresce verso indirizzi bassi 11

12 Crescita delle aree dinamiche La pila cresce automaticamente La memoria dati dinamica (heap) cresce su richiesta del programma malloc( ) richiede al SO l allocazione di nuovo spazio tramite servizio di sistema brk( ) o sbrk( ) brk( ) e sbrk( ) sono due funzioni di libreria che invocano in forma diversa lo stesso servizio *void sbrk(int incremento) incrementa l area dati dinamici del valore incremento restituisce un puntatore alla posizione iniziale della nuova area sbrk(0) restituisce il valore corrente della cima dell area dinamica. modifica l indirizzo massimo del segmento dati dinamici, arrotondandolo ad un limite di pagina e controllando che la crescita dei dati non si avvicini troppo alla pila 12

13 Un programma per esplorare gli indirizzi virtuali #include <stdio.h> int Global[10]; int main(argc, argv) { void f( ); int Local[10]; void *Brk; extern char **environ; Brk=sbrk(0); printf( "indirizzo esadecimale environ: 0x%16.16lx\n",environ); printf( "indirizzo esadecimale Local: 0x%16.16lx\n",Local); printf( "indirizzo esadecimale Global: 0x%16.16lx\n",Global); printf( "indirizzo esadecimale f: 0x%16.16lx\n",f); printf( "indirizzo esadecimale main: 0x%16.16lx\n",main); printf( "indirizzo esadecimale printf: 0x%16.16lx\n",printf); printf( "indirizzo esadecimale Brk: 0x%16.16lx\n",Brk); Brk=sbrk(4096); Brk=sbrk(0); printf( "Brk dopo l'incremento: 0x%16.16lx\n",Brk); } void f( ){ } 13

14 Risultati dell esecuzione del programma indirizzo esadecimale environ: 0x00007fff5 eabb 6c8 indirizzo esadecimale Local: 0x00007fff5 eabb 5a0 indirizzo esadecimale Global: 0x indirizzo esadecimale f: 0x d6 indirizzo esadecimale main: 0x c4 indirizzo esadecimale printf: 0x b0 indirizzo esadecimale Brk: 0x ef 000 Brk dopo l'incremento: 0x f

15 La struct che descrive un area virtuale 15

16 Aree virtuali: descrittore della memoria 16

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18 Fork e gestione della memoria fork ( ) non viene allocata memoria fisica e tutte le pagine sono condivise tranne quella di pila, che contiene il valore restituito da fork (PID figlio o 0) all atto di una scrittura in memoria da parte di uno dei due processi, la pagina scritta viene effettivamente allocata (copy on write) per sapere di dover allocare tali pagine si usa il metodo seguente le pagine dati vengono inizialmente poste con diritto di accesso in sola lettura, in modo da causare un interrupt al primo accesso in scrittura il SO scopre che la pagina appartiene a un area abilitata in scrittura e capisce quindi di doverla caricare l unica pagina che viene duplicata fisicamente è quella contenente il valore restituito dalla fork la pagina fisica originale contenente il pid è attribuita al processo figlio per il processo padre viene allocata una pagina fisica nuova 18

19 Memoria subito dopo fork Processo PADRE MEMORIA FISICA Processo FIGLIO pag. del PID (vecchia) pag. del PID pag. del PID (nuova) pag. del PID 19

20 Dopo che il processo padre ha modificato una pagina Processo PADRE MEMORIA FISICA Processo FIGLIO pag. del PID (vecchia) pag. del PID pag. del PID (nuova) pag. modificata pag. del PID 20

21 Exec e gestione memoria exec ( ) L esecuzione della exec pone a NON VALIDO tutte le pagine relative a codice e dati del processo Tramite la tecnica di Demand Paging vengono caricate le pagine di codice e dati del programma lanciato in esecuzione 21

22 Azioni del SO in caso di Interrupt nell accesso a una pagina virtuale V se la pagina V appartiene allo spazio di indirizzamento virtuale del processo, LINUX verifica i diritti di accesso: se l accesso è legittimo, viene invocata la routine swap_in di caricamento della pagina da disco in memoria centrale (pagina non residente); se l accesso non è legittimo: se la violazione è dovuta a una pagina posta come sola lettura in seguito a una fork, ma appartenente ad un area virtuale sulla quale la scrittura è ammessa, viene creata una nuova copia della pagina con l indicazione di scrittura abilitata altrimenti il programma viene fatto terminare 22

23 Azioni del SO in caso di Interrupt nell accesso a una pagina V - continua se la pagina V non appartiene allo spazio di indirizzamento virtuale del processo: se si tratta di crescita della pila (la pagina V+1 contiene l indicatore growsdown), una nuova pagina viene allocata per la pila; altrimenti il programma viene fatto terminare. Alcune di queste azioni richiedono di allocare una nuova pagina; Se l allocazione di una nuova pagina riduce il numero di pagine libere sotto una soglia minima, LINUX invoca la funzione try_to_free_pages del PFRA (Page Frame Reclaiming Algorithm) per scaricare alcune pagine su disco (argomento trattato più avanti) 23