Sistemas operativos. Tema 8: Memoria virtual

(1)

Sistemas operativos

Tema 8: Memoria virtual

(2)

Memoria virtual

►

► Conjunto de tConjunto de téécnicas que permiten ejecutar procesos que cnicas que permiten ejecutar procesos que no se no se encuentran completamente cargados en memoria

encuentran completamente cargados en memoria.. ►

► Principio de cercanPrincipio de cercaníías:as: las referencias a memoria tienden a agruparse.las referencias a memoria tienden a agruparse.

EjecuciEjecucióón de instrucciones en secuencia, acceso a tablas, bucles, etc.n de instrucciones en secuencia, acceso a tablas, bucles, etc.

►

► Muchos programas contienen cMuchos programas contienen cóódigo para digo para opciones poco utilizadasopciones poco utilizadas, , que no hay por qu

que no hay por quéé tener siempre en memoria.tener siempre en memoria.

localidad(t₁) Direccion es accedidas t t₁

(3)

Memoria virtual

►

Las partes de un proceso que no se est

é

n utilizando en un

momento dado pueden guardarse

en almacenamiento

secundario

(t

í

picamente, en un disco duro).

Se cargan y descargan partes segSe cargan y descargan partes segúún sea necesario.n sea necesario.

►

Cada proceso ocupa menos memoria

Æ

se puede

incrementar el

grado de multiprogramaci

ó

n

y el

aprovechamiento de la CPU

.

En teorEn teoríía, para ejecutar un proceso llega con tener en memoria a, para ejecutar un proceso llega con tener en memoria la la siguiente instrucci

siguiente instruccióónn y y los datoslos datos que que éésta vaya a utilizar.sta vaya a utilizar.

En la prEn la prááctica, se intenta ctica, se intenta aproximar la localidadaproximar la localidad del proceso.del proceso.

Conjunto residente:Conjunto residente: parte del espacio lparte del espacio lóógico de un proceso que se gico de un proceso que se encuentra en la memoria principal.

(4)

Memoria virtual

►

► Los procesos no est

Los procesos no est

á

n limitados por el tama

ñ

o de

la memoria principal.

Antes, para ejecutar procesos muy grandes se recurr

í

a a

la programaci

ó

n de

superposiciones (

overlays

)

.

►

►Esta tEsta téécnica ha quedado relegada a sistemas empotrados y/o cnica ha quedado relegada a sistemas empotrados y/o de tiempo real.

de tiempo real.

►

► Al no tener que cargar o intercambiar procesos

Al no tener que cargar o intercambiar procesos

enteros,

(5)

Inconvenientes

►

► Complejidad elevada:

Complejidad elevada:

¿

C

ó

mo repartir la memoria entre los procesos?

¿

Cu

á

ntos procesos pueden residir en memoria

simult

á

neamente?

¿

Qu

é

partes de los procesos cargar o

descargar?

►

► Rendimiento:

Rendimiento:

(6)

Esquemas de memoria virtual

►

► Se puede implementar memoria virtual con

Se puede implementar memoria virtual con

cualquier esquema de

reubicaci

ó

n din

á

mica

y

asignaci

ó

n no contigua

.

M

á

s f

á

cil con esquemas que paginan la

memoria.

Los algoritmos se complican con segmentos de

tama

ñ

o variable.

►

► El esquema m

El esquema m

á

s frecuente es la

paginaci

(7)

Paginaci

ó

_ó

n bajo

_{n bajo}

demanda

(8)

Paginaci

ó

_ó

n bajo demanda

_{n bajo demanda}

►

► Paginaci

Paginaci

ó

n +

paginador

perezoso

.

No se carga una p

á

gina en memoria hasta que una

instrucci

ó

n necesita acceder a ella.

A B C D E Proceso A B D E Disco C MP A C Memoria virtual paginada

(9)

Soporte

hardware

_hardware

►

► La traducci

La traducci

ó

n de direcciones l

ó

gicas sigue el

mismo esquema

que la

paginaci

ó

n

…

s

ó

lo que puede haber

m

á

s bits en el campo p

de la direcci

ó

n l

ó

gica.

►

► Las p

Las p

á

ginas en memoria y las que est

á

n en

disco se distinguen

con el

bit

de validez

:

1

1 Æ

Æ

p

á

gina v

á

lida y cargada en memoria.

(10)

Soporte

hardware

_hardware

►

► Al encontrar V=0, el SO comprueba si se trata de un Al encontrar V=0, el SO comprueba si se trata de un acceso invacceso inváálidolido o o un

un fallo de pfallo de pááginagina en la rutina de atencien la rutina de atencióón a la TRAP.n a la TRAP. ►

► A menudo, las entradas con V=0 contienen la direcciA menudo, las entradas con V=0 contienen la direccióón de disco donde n de disco donde se almacena la p

se almacena la páágina correspondiente.gina correspondiente. A B C D E Proceso A B D E Disco C MP A C Tabla de páginas -0 -0 -0 -0 -0 3 1 -0 1 1

(11)

Tama

ñ

_ñ

o de la tabla de p

_{o de la tabla de p}

á

_á

ginas

_ginas

►

Con memoria virtual, la tabla de p

á

ginas puede volverse

extremadamente grande

.

Ejemplo:Ejemplo: memoria virtual de 64GB, pmemoria virtual de 64GB, pááginas de 4KB y 4 ginas de 4KB y 4

bytes

por por entrada

entrada ÆÆ tablas de 64tablas de 64MB (en memoria real) por proceso.MB (en memoria real) por proceso.

►

Posibles soluciones:

PaginaciPaginacióón n multinivelmultinivel::

►

► SSóólo tiene que estar siempre en memoria la tabla de plo tiene que estar siempre en memoria la tabla de pááginas externa.ginas externa. ►

► Las tablas de pLas tablas de pááginas internas pueden alojarse en disco mientras no se ginas internas pueden alojarse en disco mientras no se

utilizan.

SegmentaciSegmentacióón paginada:n paginada:

►

► SSóólo tiene que estar siempre en memoria la tabla de segmentos.lo tiene que estar siempre en memoria la tabla de segmentos. ►

► Las tablas de pLas tablas de pááginas de cada segmento pueden alojarse en disco ginas de cada segmento pueden alojarse en disco

mientras no se utilizan.

Tabla de pTabla de pááginas invertida:ginas invertida:

►

► El SO debe mantener tablas con informaciEl SO debe mantener tablas con informacióón sobre las pn sobre las pááginas que no ginas que no

est

(12)

El fallo de p

á

_á

gina

_gina

►

Ante un fallo de p

á

gina, hay que

localizar la p

á

gina

solicitada en el disco,

cargarla

en memoria y

reiniciar la

instrucci

ó

n

.

Es un proceso de duraciEs un proceso de duracióón potencialmente muy larga y variable, n potencialmente muy larga y variable, principalmente por las operaciones de E/S.

principalmente por las operaciones de E/S.

►

El repertorio de instrucciones puede plantear ciertos

desaf

í

os, por la dificultad de deshacer los efectos de una

instrucci

ó

n parcialmente ejecutada.

MOV (R1)+,DIR:MOV (R1)+,DIR: copiar en DIR el contenido de la posicicopiar en DIR el contenido de la posicióón de n de memoria apuntada por R1, e incrementar R1.

memoria apuntada por R1, e incrementar R1. ►

► Si ocurre un fallo de pSi ocurre un fallo de páágina al intentar acceder a DIR, hay que gina al intentar acceder a DIR, hay que

devolver R1 a su valor anterior.

(13)

Rendimiento

►

t

_ac_ac

:

tiempo de acceso sin memoria virtual (en paginaci

ó

n,

doble del tiempo de acceso a una palabra de la memoria).

►

p:

probabilidad de fallo de p

á

gina.

►

t

_fp_fp

:

tiempo medio de atenci

ó

n a un fallo de p

á

gina.

►

Tiempo de acceso efectivo medio:

►

Para

t

_ac_ac

=1

μ

s y

t

_fp_fp

=10ms, una degradaci

ó

n

inferior al 10% requiere

p<10

--55

_.

Un fallo de pUn fallo de páágina cada 100000 referencias.gina cada 100000 referencias.

(14)

Soporte

software

_software

►

► En la rutina de atenci

En la rutina de atenci

ó

n al fallo de p

á

gina

interviene una cantidad de

software

considerable:

Reemplazo:

si no hay marcos libres cuando se produce

un fallo de p

á

gina, hay que desalojar alguna de las que

residen en memoria principal.

Gesti

ó

n del conjunto residente:

decidir cu

á

ntos marcos

se asignan a cada proceso.

Control de carga:

decidir cu

á

ntos procesos se pueden

mantener en memoria simult

(15)

Reemplazo

(16)

Reemplazo

►

► Se trata de seleccionar una

Se trata de seleccionar una

p

á

gina v

í

ctima

para

descargar de la memoria, de entre un conjunto de

candidatas.

Pueden ser p

á

ginas del mismo proceso (

reemplazo

local

) o de cualquiera (

reemplazo global

).

►

► Los distintos algoritmos se eval

Los distintos algoritmos se eval

ú

an sobre

cadenas

de referencias

, fijando el n

ú

mero de marcos

disponibles.

Intuitivamente, a mayor n

ú

mero de marcos, menor

n

(17)

Algoritmo FIFO

►

FIFO

(

First

In,

First

Out)

:

se reemplaza la p

á

gina que lleva

m

á

s tiempo en memoria.

Ejemplo: Ejemplo: con 3 marcos disponibles,con 3 marcos disponibles, la cadena de referencias la cadena de referencias (5,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,5,0,1) produce 15 fallos de (5,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,5,0,1) produce 15 fallos de p páágina.gina. 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 0 0 0 1 1 1 1 -M2 0 0 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 0 0 0 0 -M1 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 4 4 4 2 2 2 2 5 5 5 M0 1 0 5 1 0 2 1 2 3 0 3 2 4 0 3 0 2 1 0 5

(18)

Algoritmo FIFO

►

► Ventaja:

Ventaja:

muy f

á

cil de implementar.

►

► Inconvenientes:

Inconvenientes:

El instante de carga

no es una medida de uso

:

la p

á

gina sacrificada podr

í

a volver a necesitarse

pronto.

Anomal

í

a de

Belady

:

existen cadenas de

referencias tales que con

m

marcos se producen

menos fallos de p

(19)

La anomal

í

_í

a de

_{a de}

Belady

_Belady

►

Con 3 marcos, la cadena

(1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5)

produce 9 fallos de p

á

gina.

►

Con 4 marcos, en cambio,

produce 10.

►

Los algoritmos que no

exhiben este

comportamiento se

denominan

algoritmos de

pila

.

4 4 2 2 2 2 2 1 1 3 -M2 3 3 3 1 1 1 1 1 2 2 2 -M1 5 5 5 5 5 5 4 4 4 1 1 1 M0 5 4 3 2 1 5 2 1 4 3 2 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 -M2 3 3 3 4 4 4 4 4 4 -M3 5 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 -M1 4 4 5 5 5 5 1 1 1 1 1 1 M0 5 4 3 2 1 5 2 1 4 3 2 1

(20)

Algoritmo

ó

_ó

ptimo

_ptimo

►

Idealmente, se deber

í

a reemplazar la p

á

gina que tardar

á

m

á

s tiempo en

referenciarse

.

El objetivo es El objetivo es retardar el fallo de pretardar el fallo de pááginagina todo cuanto sea posible.todo cuanto sea posible.

En el mismo ejemplo de antes se producen 9 fallos de pEn el mismo ejemplo de antes se producen 9 fallos de páágina.gina.

1 1 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 1 1 1 -M2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 0 -M1 5 5 5 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 5 5 M0 1 0 5 1 0 2 1 2 3 0 3 2 4 0 3 0 2 1 0 5

(21)

Algoritmo

ó

_ó

ptimo

_ptimo

►

► El algoritmo

El algoritmo

ó

ptimo garantiza

la tasa de fallos de

p

á

gina m

á

s baja posible

para un n

ú

mero de

marcos dado.

►

► Sin embargo, es

Sin embargo, es

dif

í

cilmente

implementable

,

porque requiere conocer cadenas de referencias

futuras.

►

► Se utiliza como

Se utiliza como

patr

ó

n

para la evaluaci

ó

n de otros

algoritmos.

(22)

Algoritmo LRU

►

LRU

(

Least

Recently

Used

)

:

se reemplaza la p

á

gina que

lleva m

á

s tiempo sin

referenciarse

.

Por el principio de cercanPor el principio de cercaníías, se toma el pasado reciente como una as, se toma el pasado reciente como una aproximaci

aproximacióónn del futuro inmediato.del futuro inmediato.

En el ejemplo se producen 12 fallos de pEn el ejemplo se producen 12 fallos de páágina.gina.

5 5 5 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 1 1 1 -M2 0 0 0 0 0 3 3 3 3 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 -M1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 4 4 4 2 2 2 2 5 5 5 M0 1 0 5 1 0 2 1 2 3 0 3 2 4 0 3 0 2 1 0 5

(23)

Algoritmo LRU

►

► LRU es un algoritmo de pila, que suele dar una

LRU es un algoritmo de pila, que suele dar una

buena aproximaci

ó

n

del algoritmo

ó

ptimo.

►

► Inconveniente: implementaciones costosas.

Inconveniente: implementaciones costosas.

Contador

de referencias a p

á

gina:

►

►En cada referencia, el valor del contador se copia en la entradaEn cada referencia, el valor del contador se copia en la entrada correspondiente de la tabla de p

correspondiente de la tabla de pááginas.ginas. ►

►Se reemplaza siempre la pSe reemplaza siempre la páágina cuya entrada en la tabla tiene gina cuya entrada en la tabla tiene el valor m

el valor máás peques pequeñño.o. ►

►El desbordamiento provoca transitorios de rendimiento muy El desbordamiento provoca transitorios de rendimiento muy pobre

pobre ÆÆ aumentar el naumentar el núúmero de bits del contador.mero de bits del contador.

Pila

de referencias:

►

►En cada referencia se extrae la pEn cada referencia se extrae la páágina correspondiente de la gina correspondiente de la pila y se pone en la cima.

pila y se pone en la cima.

►

(24)

Algoritmo de la 2

ª

_ª

oportunidad

_oportunidad

►

► Aproximaci

Aproximaci

ó

n de LRU por medio de 1 solo

bit

.

Cada vez que se referencia una p

á

gina, se pone R=1 en

la entrada correspondiente de la tabla de p

á

ginas.

►

2

2 ª

ª

oportunidad = FIFO +

bit

R.

R. Al recorrer la cola, se examina el

Al recorrer la cola, se examina el

bit

R:

►

►Si Si R=0R=0, se reemplaza la p, se reemplaza la páágina.gina. ►

►Si Si R=1R=1, se pone R=0 y se pasa la p, se pone R=0 y se pasa la páágina al final de la cola.gina al final de la cola.

►

► Si R=1 en todas las p

Si R=1 en todas las p

á

ginas, el algoritmo de la 2

ª

oportunidad degenera en FIFO.

A

ú

n as

í

, el rendimiento suele ser considerablemente

mejor.

(25)

Dirty

bit

_bit

►

Se puede a

ñ

adir un

bit

M

(

dirty

bit

)

, que se activa cuando

se modifica el contenido de la p

á

gina correspondiente.

Para valores iguales del Para valores iguales del bitbit R, es mejor sacrificar una pR, es mejor sacrificar una páágina con gina con M=0 porque

M=0 porque no hay que escribirla en discono hay que escribirla en disco..

►

Algoritmo de la 2

ª

oportunidad mejorado:

1.

1. Con FIFO como base, se selecciona para reemplazo la primera Con FIFO como base, se selecciona para reemplazo la primera p

páágina que tenga R=0 y M=0.gina que tenga R=0 y M=0. 2.

2. Si no existe tal pSi no existe tal páágina, se busca la primera pgina, se busca la primera páágina con R=0 y gina con R=0 y M=1.

M=1.

•

• Durante la bDurante la búúsqueda, se pone R=0 en todas las entradas que se squeda, se pone R=0 en todas las entradas que se recorren y se env

recorren y se envíían al final de la cola.an al final de la cola.

3.

(26)

Gesti

ó

_ó

n del conjunto

_{n del conjunto}

residente y control de carga

(27)

Gesti

ó

_ó

n del conjunto residente y

_{n del conjunto residente y}

control de carga

►

► ¿

¿

Cu

á

ntos marcos asignar a un proceso?

El

m

í

nimo

lo determina el repertorio de instrucciones.

►

►E.gE.g. ADD /DIR1,/DIR2,/DIR3 puede necesitar 4 marcos:. ADD /DIR1,/DIR2,/DIR3 puede necesitar 4 marcos: 1 para la propia instrucci

1 para la propia instruccióón, 1 para cada sumando y 1 para el n, 1 para cada sumando y 1 para el resultado.

resultado.

El

m

á

ximo

lo fija el tama

ñ

o de la memoria principal.

Pol

í

ticas de asignaci

ó

n:

►

►Fija:Fija: la asignacila asignacióón se decide en el momento de la carga.n se decide en el momento de la carga.

Requiere reemplazo local.Requiere reemplazo local.

►

►Variable:Variable: la asignacila asignacióón se decide dinn se decide dináámicamente.micamente.

Reemplazo local o global.Reemplazo local o global.

►

► ¿

¿

Cu

á

ntos procesos mantener simult

á

neamente en

memoria?

(28)

Hiperpaginaci

ó

_ó

n

_n

(

₍

thrashing

_thrashing

)

₎

►

► Si un proceso no dispone de marcos suficientes para su localidadSi un proceso no dispone de marcos suficientes para su localidad, pasa , pasa m

máás tiempo en fallo de ps tiempo en fallo de páágina que ejecutgina que ejecutáándose ndose ÆÆ hiperpaginacihiperpaginacióónn.. ►

► Con Con asignaciasignacióón fijan fija, la hiperpaginaci, la hiperpaginacióón afecta a n afecta a procesos aisladosprocesos aislados.. ►

► Con Con asignaciasignacióón variable y reemplazo globaln variable y reemplazo global, se produce , se produce a nivel de a nivel de sistema

sistema cuando la suma de las localidades de todos los procesos no cuando la suma de las localidades de todos los procesos no cabe en la memoria.

cabe en la memoria.

En ese caso, la utilizaciEn ese caso, la utilizacióón de la CPU cae drn de la CPU cae dráásticamente.sticamente.

Hay que suspender procesos, descargando su conjunto residente.Hay que suspender procesos, descargando su conjunto residente.

hiperpaginación

Grado de multiprogramación

(29)

Modelo del conjunto de trabajo

►

► Se define el

Se define el

conjunto de trabajo

(

working

set

, WS)

de un proceso como el conjunto de p

á

ginas en sus

ú

ltimas

Δ

referencias a memoria.

WS una

aproximaci

ó

n de la localidad

del proceso.

Se puede

aproximar

con

interrupciones peri

ó

dicas, a

partir de los bits R de la tabla de p

á

ginas.

WS={0,1,2,3,4} 5 5 6 6 5 5 1 1 1 6 6 1 5 3 2 3 4 3 1 0 2 Δ Δ WS={5,6}

(30)

Modelo del conjunto de trabajo

►

► Gesti

Gesti

ó

n del conjunto residente

:

Supervisar el conjunto de trabajo de cada proceso y

asignar un n

ú

mero suficiente de marcos.

Descargar las p

á

ginas que dejen de pertenecer al

conjunto de trabajo.

►

► Control de carga

Control de carga

:

Si la demanda total de marcos (

Σ

WS

_i_i

) supera el

n

ú

mero de marcos de la memoria, se suspenden

procesos.

(31)

Frecuencia de fallos de p

á

_á

gina

_gina

►

► Soluci

Soluci

ó

n m

á

s directa

a la hiperpaginaci

ó

n.

►

► En vez de supervisar el conjunto de trabajo, se

En vez de supervisar el conjunto de trabajo, se

observa la

frecuencia de fallos de p

á

gina

(FFP)

de cada proceso.

►

► Gesti

Gesti

ó

n del conjunto residente

:

Si la FFP excede un umbral superior, se asignan m

á

s

marcos al proceso.

Si la FFP se reduce por debajo de un umbral inferior, se

le quitan marcos al proceso.

►

► Control de carga:

Control de carga:

í

dem, s

ó

lo que a partir de la FFP

global.

(32)

Fin

Sistemas operativos. Tema 8: Memoria virtual