LAMEMORIAVIRTUALE

SISTEMIOPERATIVI

Motivazioni» Spessonontuttelefunzionidiunprogrammasonoutilizzatedurantel’esecuzione˃ Procedureperlagestionedierroripocofrequenti˃ Spazioriservatoperarray,listeetabelle˃ Funzionalitàaccessorieusatedirado

» Proposta˃ Caricareinmemoriasolounapartedelprogramma˃ Altrimodulicaricatisurichiesta

˃ L’immaginedelprocessosiestendeoltrelacapacitàdellamemoriafisica

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SistemiOperativi

VantaggidellaMemoriaVirtuale» Separazionedellamemorialogicavistadall’utentedaquellafisica˃ Spaziodiindirizzilogico>=spaziodiindirizzifisici

» Aumentodelgradodimultiprogrammazioneodiutentiinterattivi

» Caricare/scaricareiprogrammiin/dallamemoriarichiedeunnumeroinferioredioperazioniI/O

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SistemiOperativi

Memoriavirtualepiùgrandedellamemoriafisica

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SistemiOperativi

Þ

SpaziodegliindirizzivirtualiGiorgioGiacinto201

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SistemiOperativi

Memoriavirtualeelibreriecondivise

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SistemiOperativi

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SistemiOperativi

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Definizione» Sonocaricateinmemoriasololepagineeffettivamente utilizzateperl’esecuzione˃ lazy swapper

» Richiestadiunapagina=>riferimentoallapagina˃ Riferimentononvalido=>abort˃ not-in-memory =>trasferireinmemoria

» Pager˃ Modulodelsistemaoperativochegestiscelapaginazione

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SistemiOperativi

Paginazionesurichiestaeswapping diprocessipaginati

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SistemiOperativi

TabelladellepagineSoloalcunepaginesonoinmemoria

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SistemiOperativi

Paginazioneespaziodiswapsudisco» Lapaginazionesurichiestapuòfarusodellospaziodiswapsudisco˃ Disolitoaccessopiùvelocerispettoafilesystem

» Ingenere,lepagineasolalettura,comequellechecontengonocodice,sonosovrascritte˃ lepaginesonocaricatedirettamentedalfilesystem

» Lepagineanonime (heap,stack,ecc.)vengonoinvecescrittesullospaziodiswap˃ Isistemioperativimobilenonsovrascrivonomailepagineanonime

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SistemiOperativi

Copy-on-Write» Creazionediunprocessomediantefork()

˃ Copiadell’immaginedelgenitore˃ Lacopiaèinutilesefork() èseguitadaexec()

» LatecnicaCopy-on-Write(COW)consistenellacondivisionedellestessepaginefisichedapartedigenitoreefiglio

» Unapaginaècopiatasoloseunodeidueprocessilamodifica

» Lacopiaavvieneindividuandounframeliberodallalistadiframedisponibili

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SistemiOperativi

Copy-on-WriteGiorgioGiacinto201

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SistemiOperativi

PageFault» Quandosideveaccedereaunindirizzovirtualediunapaginachenonècaricatainmemoria˃ Indicatodalbitdivalidità

» Sigeneraunaeccezionegestitadalsistemaoperativo˃ Sel’indirizzoènonvalido=>abort˃ Seinvecesitrattadiunapaginamancante,occorrecaricarlanelsistema

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SistemiOperativi

GestionediunpagefaultGiorgioGiacinto201

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SistemiOperativi

Considerazioni» Paginazionepura

˃ Sicaricanoinmemorialepaginesolo quandorichiesto+ All’avviodelprocessosiavrannonumerosipagefault

» Localitàdeiriferimenti˃ Èimprobabilecheistruzionilogicamenteconsecutivesi

trovinoinpaginediverse» Memoriasecondaria

˃ Deveriservareunaareadiscambio (swapspace)» Esecuzionidiistruzionicomplesse

˃ Pagefaultcausatedall’accessoaglioperandi

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SistemiOperativi

Prestazionidellapaginazionesurichiesta» Iltempoeffettivod’accessoallamemoria(Effective AccessTime- EAT)sicalcolaEAT=(1– p)×ma +p × (tempogestionepagefault)

» Esempioma=200nstempomediogestionepagefault=8msSep =0,1%=>EAT=8,2μs =41×ma!!

SesivuoleEAT<=1,1maallorap >=0,25×10-6%

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SistemiOperativi

Cosasuccedesenoncisonopiùframeliberi?» Over-allocation

˃ Lamemoriacomplessivachepuòessererichiestadaiprocessièmaggiorediquelladisponibile

˃ Lalistadeiframeliberipuòesserevuota

˃ Algoritmoperindividuarepaginechenonsonopiùutilizzate

˃ L’algoritmodevegarantirelagenerazionediunnumeroridottodipagefault

» Effettocollaterale˃ Alcunepaginepotrebberoesserecaricateinmemoria

diversevoltedurantel’esecuzione

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SistemiOperativi

Over-allocationesostituzionedellepagine

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SistemiOperativi

Sostituzionedellepagineetempomediodiaccesso» Lasostituzionediunapaginapuòaumentareiltempo

mediodiaccesso˃ sidevescriveresudiscolapaginacheverràsostituitada

quellachehageneratoilfault˃ Servonodue accessiallamemoriasecondaria

» Perridurreilsovraccaricodovutoallascritturasudiscodellapaginadasostituire˃ modify (dirty)bit indicaqualipaginesonostate

modificatesololepaginemodificatedevonoessereriscritte

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SistemiOperativi

Sostituzionedellepagine1. Ricercadellaposizionesuldiscodellapagina

dacaricareinmemoria2. Ricercadiunframelibero

˃ sepresente,caricalapagina˃ senoncisonoframeliberi,eseguiunalgoritmodi

sostituzionedellepaginepertrovareunframevittima

3. Memorizzalapaginanelframeliberoaggiornaletabelledeiframeedellepagine

4. Riavviailprocesso

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SistemiOperativi

Sostituzionedellepagine

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SistemiOperativi

Andamentodeipagefaultall’aumentaredeln.ro diframe

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SistemiOperativi

Algoritmidisostituzionedellepagine» Obiettivo

Minimizzareilnumerodipagefault» Leprestazionideglialgoritmisivalutanousandouna

particolaresequenzadirichiestedipagine˃ Generatacasualmente˃ Registratadurantel’esecuzionediunprogrammaecalcolandoilnumerodipagefaultgenerati

Negliesempicheseguonouseremolasequenza7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1eunamemoriasuddivisain3frame

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SistemiOperativi

AlgoritmoFIFO“inordinediarrivo”» Èilpiùsemplicedaimplementare» Puògeneraremoltipagefault

˃ Quandosisostituisceunapaginainmemoriadamoltotempomaancoramoltoutilizzata

» AnomaliadiBelady˃ All’aumentaredeln.ro diframe,ipagefaultpossono

aumentare

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SistemiOperativi

15pagefault

AnomaliadiBelady

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SistemiOperativi

Ottenutaconlasequenza1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5

AlgoritmoOPTSostituzioneottimale» Sisostituisconolepaginechenonsarannousateperil

periododitempopiùlungo˃ Informazionedisponibile?

» Utilizzatopercalcolareilminimonumerodipagefaultchesipossonogenerare

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SistemiOperativi

9pagefault

AlgoritmoLRULeastRecentlyUsed» Sisostituiscelapaginanonusata perilperiodopiùlungo

˃ Adogniriferimentoaunapaginasicopiailvaloredelclock disistemainuncampodellatabella

˃ Sisostituiscelapaginaconilvalorepiùpiccolo» Svantaggi

˃ Spazioinmemoriapermemorizzareilcontatore˃ Ricercadellapaginaconilvalorepiùpiccolodelcontatore

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SistemiOperativi

12pagefault

AlgoritmoLRUImplementazioneconstack

» Unapaginasispostaincimaallapilaquandovienereferenziata

» Nelcasopeggioresidevonomodificare6puntatori

» Nonserveeffettuarelaricercadelframevittima

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SistemiOperativi

Siusaunapiladoppiamenteconcatenataconpuntatoriall’elementoinizialeefinale.

AlgoritmoLRUConsiderazioni» L’algoritmoLRUrichiedeilsupportohardwareper

l’aggiornamentodeicontatoriodellapila˃ ItempirichiestidaunaesecuzioneviasoftwaredelSO

vanificherebberoivantaggidellamemoriavirtuale

» IlsupportohardwarerichiestoèpiuttostoonerosoSonostatesviluppateapprossimazioni LRU˃ CompromessofraprestazioniecomplessitàHWeSW

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SistemiOperativi

ApprossimazioneLRUAlgoritmosecondachance» Siusaunreference bit associatoaciascunapagina

˃ Inizializzatoa0˃ Adogniriferimentoallapaginailbitèimpostatoa1˃ Sisostituisceunapaginaconbit=0(seesiste)

+ Sepiùpaginehannobit=0,comesisceglie?» Algoritmo

˃ Siesaminanolepagine insensoorario (clock)˃ Selapaginacandidataperlasostituzionehailreference

bit=1+ Siimpostailreference bit=0+ Silascialapaginainmemoria+ Sicandidaperlasostituzionelapaginasuccessiva(insensoorario)seguendolestesseregole

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SistemiOperativi

Algoritmodisostituzionesecondachance(clock)

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SistemiOperativi

Varianti- Uso di più bit di

riferimento- Uso del bit di

riferimento e del bit di modifica

AlgoritmibasatisulconteggiodeiriferimentiSi utilizza un contatore dei riferimenti fatti a ciascuna pagina

» LFU (LeastFrequentlyUsed)sostituiscelapaginaconilconteggiominore

» MFU (MostFrequentlyUsed)sostituiscelapaginaconilconteggiomaggiore

» Questetecnichesonopocodiffuseperché˃ Implementazioneonerosa˃ NonapprossimanoOPT

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SistemiOperativi

Altreconsiderazioni» PagebufferingAlcunisistemimantengonounalistadiframeliberichecontengonopotenzialivittime˃ Sievitadidoverscriveresudiscoillorocontenuto˃ Nelcasoquellepaginesianoreferenziate,sievitadicaricarledadisco

» Perragionidiefficienza,alcunecategoriediapplicazioninonusanoiserviziSOperlasostituzionedellepagine˃ Ades.,DBMS,DataWarehouse,ecc.

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SistemiOperativi

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SistemiOperativi

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Allocazionedeiframe» Occorreassicurareaogniprocessounnumerominimo diframeperevitaretroppipagefault

» AllocazioneuniformeSidistribuisconoiframeinmodouniformefraidiversiprocessi

» AllocazioneproporzionaleSidistribuisconoiframeinmodoproporzionalealledimensionidiciascunprocesso

» AllocazioneperprioritàSitienecontoanchedellapriorità

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SistemiOperativi

Allocazioneglobaleeallocazionelocale

Perlasostituzionedellepaginelavittimapuòessere lapaginadiunprocessodiversodaquellochehageneratoilfault˃ Variazionedinamicadelnumerodiframeassegnatiaun

processo

Puòesseresostituitasolounapaginainunodeiframeallocatialprocessochehageneratoilfault

» IncasodiarchitettureNUMA occorretenercontodeidiversitempid’accessoallememoriedelsistema

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SistemiOperativi

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SistemiOperativi

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Thrashing» Lafrequenzadeipage-faultcresceinmodoabnormese

ilprocessohapoche pagineadisposizioneConseguenze˃ scarsousodellaCPU˃ Ilsistemaoperativopuòaumentareilgradodi

multiprogrammazioneperaumentarel’usodellaCPU˃ Unaltroprocessosiaggiungealsistema,incrementando

ulteriormenteipagefaulteriducendol’usodellaCPU

: lamaggiorpartedeltempodiesecuzionediunprocessoèimpiegataperlapaginazione!

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SistemiOperativi

Thrashing

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SistemiOperativi

PaginazionesurichiestaeThrashing» Perchélapaginazionesurichiestaaumental’efficienzadelsistema?

˃ Durantel’esecuzioneunprocessomigradaunalocalitàaun’altra

˃ Lelocalitàpossonosovrapporsi

» Perchépuòverificarsiilthrashing?Σ dimensionilocalità>dimensionememoria

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SistemiOperativi

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SistemiOperativi

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Principiodilocalità

PrincipiodilocalitàMappadellamemoriarelativaall’esecuzionediFirefox inLinux

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SistemiOperativi

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ModellodeiWorking-Set» SiaΔ unafinestratemporaledelworking set» WSSi (working setdelProcessoPi)=

numerototaledipagineusatenegliultimiΔ riferimenti˃ seΔ ètroppopiccolo,potrebbenoncomprenderetuttala

località˃ seΔ ètroppogrande,potrebbecomprenderepiùlocalità˃ seΔ =∞comprendetuttelepaginedelprogramma

» D =ΣWSSi =>numerototalediframerichiestiinΔ» SeD >dim_mem =>Thrashing

˃ Perevitarethrashing sipuòsospendereunprocesso

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SistemiOperativi

Modellodelworking-setGiorgioGiacinto201

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SistemiOperativi

Modellobasatosullafrequenzadeipage-fault» Hal’obiettivodistabilireunafrequenza“accettabile” dipage-fault

˃ selafrequenzaattualeètroppobassa,sipossonosottrarreframealprocesso

˃ selafrequenzaattualeètroppoalta,ilprocessopuòguadagnaredeiframe

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SistemiOperativi

WorkingSeteFrequenzadeiPageFault

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SistemiOperativi

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SistemiOperativi

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Esigenzedelkernel» IlKernel hanecessitàdimemoriaperlesuestrutturedatichehannodimensionivariabili

» Partedellamemoriadelkernel deveesserecontigua˃ Ades.,alcunidispositiviaccedonoallamemoriasenzausarelamemoriavirtuale

» Diconseguenza,lamemoriadelkernel disolitononèpaginata˃ Ilkernel haadisposizioneuninsiemediareeliberedimemoria

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SistemiOperativi

BuddySystem» Usasegmentidimemoriadidimensionefissata,formatidaunoopiùframecontigui

» Lamemoriaèallocatainporzionididimensionipotenza-di-2˃ Lerichiestesonoarrotondatepereccessoallapiùvicinapotenzadidue

˃ Selaporzionedisponibileèpiùgrandediquellarichiesta,laporzionesidivideindue( )+ Ladivisionecontinuafinchénonsigiungealladimensionerichiesta

˃ Duebuddy nonusatipossonoesserefusi

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SistemiOperativi

GestoreBuddySystemGiorgioGiacinto201

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SistemiOperativi

Allocazionealastre(slab)» Unalastra ( ) èformatadaunaopiùframecontigui» Lacache èformatadaunaopiùlastre» Ciascunacacheèrelativaaunastrutturadatidelkernel

˃ Ciascunacachecontieneoggetti – istanzedellastrutturadati

» Lacacheècreataconoggettisegnaticomeliberi» Quandosimemorizzanolestrutture,glioggettisono

segnaticomeusati» Seunalastraèpienasiusaunalastravuota

˃ Senonesistonolastrevuote,siallocaunanuovalastra» Nonc’è frammentazioneel’allocazioneèveloce

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SistemiOperativi

AllocazionealastreGiorgioGiacinto201

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SistemiOperativi

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SistemiOperativi

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Prepaginazione» Riduceilnumerodipagefaultall’avviodelprocesso» Trasferisceinmemoriaalcuneotuttelepagine

necessarieprima chesifacciaunriferimento˃ Masequestepaginenonverrannousate,abbiamo

“sprecato” operazionidiI/O» Difficoltà

Stabilirequantepagineportareinmemoria

LinguaggicomeC/C++eorientatiaglioggettinonsoddisfanoapienolocalitàepossonorendereinefficientelaprepaginazione

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SistemiOperativi

Dimensionedellepagine» Influenza

˃ Ilgradodiframmentazione˃ Ladimensionedellatabelladellepagine˃ IlsovraccaricoperoperazioniI/O

» Dipendedallalocalità

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SistemiOperativi

PortatadellaTLB» Èlaquantitàdimemoriachepuòessereindirizzata

dallaTLB» TLBReach=(TLBSize)× (PageSize)» IdealmentelaTLBdovrebbeindirizzareilworking set di

ciascunprocesso» PeraumentareTLBReachsipotrebbeaumentarela

dimensionedellepagine˃ Puòcausareframmentazione

» Usodipaginedidimensionediversa˃ Ciascunaapplicazioneusaladimensionedipaginache

creamenoframmentazione

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SistemiOperativi

Strutturadeiprogrammiint[128,128] data;Ipotizziamo che ciascuna riga sia memorizzata inuna paginaProgram1

for (j = 0; j <128; j++)for (i = 0; i < 128; i++)

data[i,j] = 0;128x128=16,384pagefaults

Program2for (i = 0; i < 128; i++)

for (j = 0; j < 128; j++)data[i,j] = 0;

128pagefaults

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SistemiOperativi

I/Ointerlock» Alcunepaginedevonoesserevincolate inmemoria˃ Nondevonoesseresostituiteincasodipagefault

» CasotipicoinoperazioniI/OLepagineinusoperlacopiadidatidaunaperifericanondevonoessererimosse

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SistemiOperativi

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Windows» Paginazionesurichiestaconclustering

˃ Sicaricalapaginamancanteequellevicine» Aciascunprocessosiassegnaunvaloreminimo eun

valoremassimo diworking set˃ Minimogarantitodipagineinmemoria˃ Massimonumeropossibiledipagineinmemoria

» Selaquantitàdimemoriadisponibilescendesottounacertasoglia,ilsistemaesegueunariduzioneautomaticadelworking set(automatic working settrimming)˃ Mantenendoilvincolodelminimo working set

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SistemiOperativi

Solaris» Mantieneunalistadipaginedisponibilidaassegnareai

processichecausanopagefault˃ Lotsfree

sogliaperavviarelapaginazionesurichiesta˃ Desfree

sogliaperaumentarelapaginazione˃ Minfree

sogliaperavviareswapping» Lapaginazionevieneeseguitadalprocessopageout

usandounalgoritmoclockaduelancette˃ Scanrate

frequenzadiscansionedellepaginevariafraslowscan efastscan

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