Giáo trình môn Hệ điều hành - Chương 8: Bộ nhớ ảo

Chöông 8 Boä Nhôù AÛo Khoa KTMT 2 Noäi dung trình baøy  Toång quan veà boä nhôù aûo  Caøi ñaët boä nhôù aûo : demand paging  Caøi ñaët boä nhôù aûo : Page Replacement – Caùc giaûi thuaät thay trang (Page Replacement Algorithms)  Vaán ñeà caáp phaùt Frames  Vaán ñeà Thrashing  Caøi ñaët boä boä nhôù aûo : Demand Segmentation Khoa KTMT 3 1. Toång quan boä nhôù aûo  Nhaän xeùt: khoâng phaûi taát caû caùc phaàn cuûa moät process caàn thieát phaûi ñöôïc naïp vaøo boä nhôù chính taïi cuøng moät thôøi ñieåm „ Ví duï – Ñoaïn maõ ñieàu khieån caùc loãi hieám khi xaûy ra – Caùc arrays, list, tables ñöôïc caáp phaùt boä nhôù (caáp phaùt tónh) nhieàu hôn yeâu caàu thöïc söï – Moät soá tính naêng ít khi ñöôïc duøng cuûa moät chöông trình – Caû chöông trình thì cuõng coù ñoaïn code chöa caàn duøng  Boä nhôù aûo (virtual memory): Boä nhôù aûo laø moät kyõ thuaät cho pheùp xöû lyù moät tieán trình khoâng ñöôïc naïp toaøn boä vaøo boä nhôù vaät lyù Khoa KTMT 4 1. Boä nhôù aûo (tt) Öu ñieåm cuûa boä nhôù aûo – Soá löôïng process trong boä nhôù nhieàu hôn – Moät process coù theå thöïc thi ngay caû khi kích thöôùc cuûa noù lôùn hôn boä nhôù thöïc – Giaûm nheï coâng vieäc cuûa laäp trình vieân  Khoâng gian traùo ñoåi giöõa boä nhôù chính vaø boä nhôù phuï(swap space). „ Ví duï: – swap partition trong Linux – file pagefile.sys trong Windows Khoa KTMT 5 2. Caøi ñaët boä nhôù aûo  Coù hai kyõ thuaät: – Phaân trang theo yeâu caàu (Demand Paging) – Phaân ñoaïn theo yeâu caàu (Segmentation Paging)  Phaàn cöùng memory management phaûi hoã trôï paging vaø/hoaëc segmentation  OS phaûi quaûn lyù söï di chuyeån cuûa trang/ñoaïn giöõa boä nhôù chính vaø boä nhôù thöù caáp  Trong chöông naøy, – Chæ quan taâm ñeán paging – Phaàn cöùng hoã trôï hieän thöïc boä nhôù aûo – Caùc giaûi thuaät cuûa heä ñieàu haønh Khoa KTMT 6 2.1.Phaân trang theo yeâu caàu demand paging „ Demand paging: caùc trang cuûa quaù trình chæ ñöôïc naïp vaøo boä nhôù chính khi ñöôïc yeâu caàu.  Khi coù moät tham chieáu ñeán moät trang maø khoâng coù trong boä nhôù chính (valid bit) thì phaàn cöùng seõ gaây ra moät ngaét (goïi laø page-fault trap) kích khôûi page-fault service routine (PFSR) cuûa heä ñieàu haønh.  PFSR: 1. Chuyeån process veà traïng thaùi blocked 2. Phaùt ra moät yeâu caàu ñoïc ñóa ñeå naïp trang ñöôïc tham chieáu vaøo moät frame troáng; trong khi ñôïi I/O, moät process khaùc ñöôïc caáp CPU ñeå thöïc thi 3. Sau khi I/O hoaøn taát, ñóa gaây ra moät ngaét ñeán heä ñieàu haønh; PFSR caäp nhaät page table vaø chuyeån process veà traïng thaùi ready. Khoa KTMT 7 2.2. Loãi trang vaø caùc böôùc xöû lyù Khoa KTMT 8 2.3. Thay theá trang nhôù  Böôùc 2 cuûa PFSR giaû söû phaûi thay trang vì khoâng tìm ñöôïc frame troáng, PFSR ñöôïc boå sung nhö sau 1. Xaùc ñònh vò trí treân ñóa cuûa trang ñang caàn 2. Tìm moät frame troáng: a. Neáu coù frame troáng thì duøng noù b. Neáu khoâng coù frame troáng thì duøng moät giaûi thuaät thay trang ñeå choïn moät trang hy sinh (victim page) c. Ghi victim page leân ñóa; caäp nhaät page table vaø frame table töông öùng 3. Ñoïc trang ñang caàn vaøo frame troáng (ñaõ coù ñöôïc töø böôùc 2); caäp nhaät page table vaø frame table töông öùng. Khoa KTMT 9 2.3. Thay theá trang nhôù (tt) Khoa KTMT 10 2.4. Caùc thuaät toaùn thay theá trang „ Hai vaán ñeà chuû yeáu:  Frame-allocation algorithm – Caáp phaùt cho process bao nhieâu frame cuûa boä nhôù thöïc?  Page-replacement algorithm – Choïn frame cuûa process seõ ñöôïc thay theá trang nhôù – Muïc tieâu: soá löôïng page-fault nhoû nhaát – Ñöôïc ñaùnh giaù baèng caùch thöïc thi giaûi thuaät ñoái vôùi moät chuoãi tham chieáu boä nhôù (memory reference string) vaø xaùc ñònh soá laàn xaûy ra page fault  Ví duï „ Thöù töï tham chieáu caùc ñòa chæ nhôù, vôùi page size = 100: „ 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 0103, 0104, 0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 0105 caùc trang nhôù sau ñöôïc tham chieáu laàn löôït = chuoãi tham chieáu boä nhôù (trang nhôù) „ 1, 4, 1, 6, 1, „ 1, 1, 1, 6, 1, „ 1, 1, 1, 6, 1, „ 1, 1, 1, 6, 1, „ 1 Khoa KTMT 11 a) Giaûi thuaät thay trang FIFO  Caùc döõ lieäu caàn bieát ban ñaàu: – Soá khung trang – Tình traïng ban ñaàu – Chuoãi tham chieáu – Trang nhớ cũ nhất sẽ được thay thế Khoa KTMT 12 Nghòch lyù Belady Khoa KTMT 13 Nghòch lyù Belady Baát thöôøng (anomaly) Belady: soá page fault taêng maëc daàu quaù trình ñaõ ñöôïc caáp nhieàu frame hôn. Khoa KTMT 14 2.4 b)Giaûi thuaät thay trang OPT(optimal)  Giaûi thuaät thay trang OPT – Thay theá trang nhôù seõ ñöôïc tham chieáu treã nhaát trong töông lai – Khó hiện thực?  Ví duï: moät process coù 7 trang, vaø ñöôïc caáp 3 frame Khoa KTMT 15 c) Giaûi thuaät laâu nhaát chöa söû duïng Least Recently Used (LRU)  Ví duï:  Moãi trang ñöôïc ghi nhaän (trong baûng phaân trang) thôøi ñieåm ñöôïc tham chieáu trang LRU laø trang nhôù coù thôøi ñieåm tham chieáu nhoû nhaát (OS toán chi phí tìm kieám trang nhôù LRU naøy moãi khi coù page fault)  Do vaäy, LRU caàn söï hoã trôï cuûa phaàn cöùng vaø chi phí cho vieäc tìm kieám. Ít CPU cung caáp ñuû söï hoã trôï phaàn cöùng cho giaûi thuaät LRU. Khoa KTMT 16 LRU vaø FIFO  So saùnh caùc giaûi thuaät thay trang LRU vaø FIFO chuoãi tham chieáu trang nhôù Khoa KTMT 17 Giải thuật cơ hội thứ hai  Sử dụng các bit tham khảo tại những khoản thời gian đều đặn  Dùng một byte cho mỗi trang trong một bảng nằm trong bộ nhớ  Dùng một thanh ghi dịch chứa lịch sử tham khảo trong 8 lần gần nhất VD: 00110101, 00000000, 11111111  Là giải thuật thay thế FIFO, trước khi thay thế một trang xem xét bit tham khảo của nó  Đôi khi sử dụng hai bit: tham khảo và sửa đổi như một cặp (x,x): – (0,0) không được dùng mới đây và không được sửa đổi-là trang tốt nhất để thay thế. – (0,1) không được dùng mới đây nhưng được sửa đổi-không thật tốt vì trang cần được viết ra trước khi thay thế. – (1,0) được dùng mới đây nhưng không được sửa đổi-nó có thể sẽ nhanh chóng được dùng lại. – (1,1) được dùng mới đây và được sửa đổi-trang có thể sẽ nhanh chóng được dùng lại và trang sẽ cần được viết ra đĩa trước khi nó có thể được thay thế. Khoa KTMT 18 Giải thuật cơ hội thứ hai (tt) Khoa KTMT 19 2.5.Soá löôïng frame caáp cho process  OS phaûi quyeát ñònh caáp cho moãi process bao nhieâu frame. – Caáp ít frame nhieàu page fault – Caáp nhieàu frame giaûm möùc ñoä multiprogramming  Chieán löôïc caáp phaùt tónh (fixed-allocation) – Soá frame caáp cho moãi process khoâng ñoåi, ñöôïc xaùc ñònh vaøo thôøi ñieåm loading vaø coù theå tuøy thuoäc vaøo töøng öùng duïng (kích thöôùc cuûa noù,)  Chieán löôïc caáp phaùt ñoäng (variable-allocation) – Soá frame caáp cho moãi process coù theå thay ñoåi trong khi noù chaïy  Neáu tyû leä page-fault cao caáp theâm frame  Neáu tyû leä page-fault thaáp giaûm bôùt frame – OS phaûi maát chi phí ñeå öôùc ñònh caùc process Khoa KTMT 20 a) Chieán löôïc caáp phaùt tónh  Caáp phaùt baèng nhau: Ví duï, coù 100 frame vaø 5 process moãi process ñöôïc 20 frame  Caáp phaùt theo tæ leä: döïa vaøo kích thöôùc process  Caáp phaùt theo ñoä öu tieân m S s pa m sS ps i ii i ii for allocation frames ofnumber total process of size 5964 137 127 564 137 10 127 10 64 2 1 2 a a s s m i Ví duï: Khoa KTMT 21 3. Trì treân toaøn boä heä thoáng Thrashing  Neáu moät process khoâng coù ñuû soá frame caàn thieát thì tæ soá page faults/sec raát cao.  Thrashing: hieän töôïng caùc trang nhôù cuûa moät process bò hoaùn chuyeån vaøo/ra lieân tuïc. Khoa KTMT 22 a)Moâ hình cuïc boä (Locality)  Ñeå haïn cheá thrashing, heä ñieàu haønh phaûi cung caáp cho process caøng “ñuû” frame caøng toát. Bao nhieâu frame thì ñuû cho moät process thöïc thi hieäu quaû? Nguyeân lyù locality (locality principle) – Locality laø taäp caùc trang ñöôïc tham chieáu gaàn nhau – Moät process goàm nhieàu locality, vaø trong quaù trình thöïc thi, process seõ chuyeån töø locality naøy sang locality khaùc  Vì sao hieän töôïng thrashing xuaát hieän? Khi size of locality > memory size Khoa KTMT 23 b) Giaûi phaùp taäp laøm vieäc (working set) „ Ñöôïc thieát keá döïa treân nguyeân lyù locality.  Xaùc ñònh xem process thöïc söï söû duïng bao nhieâu frame.  Ñònh nghóa: – WS(t) - soá löôïng caùc tham chieáu trang nhôù cuûa process gaàn ñaây nhaát caàn ñöôïc quan saùt trong khoảng thời gian . –  - khoaûng thôøi gian tham chieáu „ Ví duï: 2 4 5 6 9 1 3 2 6 3 9 2 1 4 thôøi ñieåm t 1 = 4 chuoãi tham khaûo trang nhôù Khoa KTMT 24 b) Giaûi phaùp taäp laøm vieäc (working set)  Ñònh nghóa: working set cuûa process P i , kyù hieäu WS i , laø taäp goàm caùc trang ñöôïc söû duïng gaàn ñaây nhaát.  Nhaän xeùt: „ quaù nhoû khoâng ñuû bao phuû toaøn boä locality. „ quaù lôùn bao phuû nhieàu locality khaùc nhau. „ = bao goàm taát caû caùc trang ñöôïc söû duïng. Duøng working set cuûa moät process ñeå xaáp xæ locality cuûa noù. chuoãi tham khaûo trang Ví duï: = 10 và Khoa KTMT 25 b) Giaûi phaùp taäp laøm vieäc (working set) Ñònh nghóa WSS i laø kích thöôùc cuûa working set cuûa P i : WSS i = soá löôïng caùc trang trong WS i chuoãi tham khaûo trang WSS(t1) = 5 WSS(t2) = 2 Ví duï (tieáp): = 10 và Khoa KTMT 26 b) Giaûi phaùp taäp laøm vieäc (working set) „ Ñaët D = WSS i = toång caùc working-set size cuûa moïi process trong heä thoáng.  Nhaän xeùt: Neáu D > m (soá frame cuûa heä thoáng) seõ xaûy ra thrashing.  Giaûi phaùp working set: – Khi khôûi taïo moät quaù trình: cung caáp cho quaù trình soá löôïng frame thoûa maûn working-set size cuûa noù. – Neáu D > m taïm döøng moät trong caùc process.  Caùc trang cuûa quaù trình ñöôïc chuyeån ra ñóa cöùng vaø caùc frame cuûa noù ñöôïc thu hoài. Khoa KTMT 27 b) Giaûi phaùp taäp laøm vieäc (working set)  WS loaïi tröø ñöôïc tình traïng trì treä maø vaãn ñaûm baûo möùc ñoä ña chöông  Theo veát caùc WS? => WS xaáp xæ (ñoïc theâm trong saùch) Ñoïc theâm:  Heä thoáng taäp tin  Heä thoáng nhaäp xuaát  Heä thoáng phaân taùn Khoa KTMT 28 Baøi taäp  Bài 01: Một máy tính 32-bit địa chỉ, sử dụng một bảng trang nhị cấp. Địa chỉ ảo được phân bổ như sau : 9 bit dành cho bảng trang cấp 1, 11 bit cho bảng trang cấp 2, và cho offset. Cho biết kích thước một trang trong hệ thống, và địa chỉ ảo có bao nhiêu trang ?  Bài 02: Xét chuỗi truy xuất bộ nhớ sau: 1, 2 , 3 , 4 , 3 , 5 , 1 , 6 , 2 , 1 , 2 , 3 , 7 , 5 , 3 , 2 , 1 , 2 , 3 , 6 Có bao nhiêu lỗi trang xảy ra khi sử dụng các thuật toán thay thế sau đây, giả sử có 4 khung trang và ban đầu các khung trang đều trống ? a) LRU b) FIFO c) Optimal d) Cơ hội thứ 2 Bài tập Cho một process có số frame truy cập như sau: 1,2,4,3,5,2,3,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,2,3,7,6,4, 5,6,7,9,8,1,2,5 Cho biết có biêu nhiêu tập làm việc (working set)? Liệt kê các frame trong từng working set? Biết = 7. Khoa KTMT 29 Bài tập Hệ thống tại một thời điểm có 5 process: process 1 cần 5 frame, process 2 cần 15 frame, process 3 cần 10 frame, process 4 cần 9 frame, process 5 cần 11 frame. Hệ thống hiện có 30 frame. Tính xem mỗi process được cấp bao nhiêu frame? Phân bổ đều? Theo tỷ lệ? Khoa KTMT 30