Sistemas Operativos Tema 9. Memoria virtual

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© 1998-2012 José Miguel Santos – Alexis Quesada – Francisco Santana – Belén Esteban

Memoria virtual n  La memoria virtual es una técnica que

permite la ejecución de procesos parcialmente cargados en memoria principal

n  Los programas pueden ser más grandes que la memoria física

n  Se utiliza el disco como almacén secundario de procesos

n  Libera al programador de la preocupación de que sus programas quepan en memoria

n  La idea es mantener en memoria principal sólo los fragmentos de cada proceso que se estén utilizando

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Memoria virtual

n  Programas reales à en muchos casos no se necesita todo el programa q  Código que maneja condiciones de error poco comunes (casi

nunca se ejecuta) q  En muchos casos se reserva más memoria de la necesaria

(vectores, tablas, etc...) q  Opciones y funciones del programa que se usan con muy

poca frecuencia (copias de seguridad J, listados específicos, etc...)

n  El sistema operativo selecciona automáticamente qué fragmentos del proceso residen en memoria principal

n  Ojo, todo esto es bastante complejo de resolver

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Memoria virtual

n  Si empleamos m.v., con poca memoria física se pueden atender grandes demandas de memoria: q  el programador no tiene que preocuparse tanto de la

escasez de memoria q  eliminamos la necesidad de técnicas como los

recubrimientos (overlays) cuya responsabilidad recae en el programador

q  “caben más procesos simultáneamente en la memoria física” -> aumenta la productividad de la CPU

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Memoria virtual

n  Riesgo: si escogemos mal los fragmentos en memoria principal, tendremos que recurrir al disco con frecuencia

n  La m.v. funciona porque los programas cumplen una fuerte localidad: los siguientes accesos a memoria suelen estar cerca de los anteriores

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Memoria virtual

n  Por tanto, con m.v. los procesos se cargan parcialmente en memoria real, siendo el SO el que lleva a cabo toda la gestión del espacio de forma transparente al programador

n  El SO decide: q  Qué partes cargar q  Cuándo cargarlas q  Dónde ubicarlas

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Memoria virtual: esquema general

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Paginación por demanda (demand paging)

n  Técnica más habitual para implementar memoria virtual

n  Combinar paginación con intercambio (swap) q  En lugar de intercambiar un proceso entero, ahora sólo

intercambiamos algunas páginas q  Ideal:

n  Cuando un proceso se va a traer a memoria, el paginador “adivine” cuales son las paginas que va a usar

n  De esta forma, en lugar de traer a memoria todo el proceso, el paginador sólo trae las páginas necesarias

n  De esta forma se evita leer y colocar en la memoria páginas que no se usan, reduciendo de esta forma el tiempo de intercambio y la cantidad de memoria física requerida

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Paginación por demanda

n  Si no tenemos todas las páginas en memoria, cuando se referencia a una página concreta, ¿Cómo saber si está en memoria? q  Necesario distinguir entre páginas válidas (en

memoria principal) y no válidas (sólo en disco) q  Las páginas válidas/no válidas se marcan en la tabla

de páginas por medio de un bit de validez

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Paginación por demanda

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Paginación por demanda: la idea

SI ADIVINAMOS CORRECTAMENTE Y TRAEMOS A LA MEMORIA SOLO LAS PAGINAS QUE SE NECESITAN, EL PROCESO SE EJECUTARA EXACTAMENTE IGUAL QUE SI HUBIERAMOS TRAIDO TODAS LAS PAGINAS

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Fallo de página

n  Si se intenta acceder a una página no válida (bit de invalidez activado), el hardware genera una excepción llamada fallo de página (page fault)

n  El fallo de página provoca que el s.o. recupere del disco (swap area) la página requerida. Se actualiza la tabla de páginas y se reintenta la instrucción que ocasionó el fallo

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Gestión de un fallo de página

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Explicación del diagrama anterior n  1.- Acceso a la tabla de páginas donde se observa que el bit de validez

indica que no está en memoria => Page _Fault n  2.- Guardar los registros del usuario y el estado del proceso n  3.- Determinar que la interrupción fue un fallo de página (vector de

interrupciones) n  4.- Verificar que la referencia a la página fue válida (el SO consulta una

tabla interna, que usualmente se guarda con el BCP del proceso). Si la referencia no es válida, se termina el proceso. Si era válida pero todavía no se ha traído esa página, se determina la posición de la página en el disco (información que también estará en el BCP) y procedemos a traerla.

n  5.- Encontramos un marco libre y planificamos una operación de disco para leer la página deseada y colocarla en el marco recién asignado

n  6.- Durante la espera, asignar la CPU a algún otro usuario (opcional)

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Explicación del diagrama anterior (2) n  7.- Interrupción del disco (E/S terminada) n  8.- Guardar los registros y el estado de proceso del otro usuario

(si se ejecutó el paso 6) n  9.- Determinar que la interrupción provino del disco n  10.- Corregir la tabla interna que se guarda junto con el proceso y

la tabla de páginas, de modo que indiquen que la página ya está en memoria

n  11.- Esperar que la CPU se asigne otra vez a este proceso n  12.- Restaurar los registros de usuario, el estado del proceso y la

nueva tabla de páginas, y reanudar la instrucción interrumpida

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Paginación por demanda

n  Caso extremo: q  Paginación por demanda pura

n  Nunca se trae una página a memoria si no se necesita

n  Ejecución de una instrucción q  Puede generar más de un fallo de página (una página para la

instrucción y muchas para los datos) q  Problema: rendimiento disminuye considerablemente al

aumentar el nº de fallos de página

n  Sin embargo, la localidad en los programas hace que el rendimiento de la paginación por demanda sea razonable

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Paginación por demanda: ventajas

n  Los programadores disponen de un espacio de memoria mayor que las disponibilidades de memoria real del sistema

n  Mejora el rendimiento general del sistema q  Mejora el uso de la memoria, mejorando el grado de

multiprogramación y por tanto mejorando la capacidad de planificación del SO

n  Pero es importante mantener baja la frecuencia de fallos de página, ya que de lo contrario el tiempo de acceso aumentará y frenará drásticamente la ejecución de los procesos

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Reanudación de instrucciones

n  Además del apoyo hardware específico necesario, ¿Existe algún otro tipo de restricción para que esta técnica se pueda implementar? q  Necesidad de poder reiniciar una instrucción

después de un fallo de página n  Ejemplos:

q  DECREMENTAR reg[1] y BIFURCAR a la dirección Y si el resultado es cero

q  Instrucción MVC del IBM 360

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Reanudación de instrucciones

n  Una implicación arquitectónica importante para poder implementar paginación por demanda, y en general, memoria virtual es que se puede producir la interrupción de ciertas instrucciones durante su ejecución

n  Problemas: reiniciar la instrucción no siempre soluciona el problema n  Soluciones:

q  Deshacer los efectos parciales de la instrucción interrumpida y reiniciar la instrucción cuando haya sido procesada la excepción

q  Reanudar la instrucción desde el punto exacto de interrupción cuando el elemento ausente sea incorporado a memoria

q  Preexaminar las referencias a memoria buscando fallos de página antes de comenzar la ejecución de la instrucción

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Algoritmos de gestión de memoria virtual n  Para la implementación de la paginación por

demanda, el SO debe implementar: q  Algoritmo de asignación de marcos

n  Si tenemos varios procesos en memoria es necesario decidir cuantos marcos se asignan a cada uno

q  Algoritmo de reemplazo de páginas n  Proceso básico

q  1.- Atender la interrupción de fallo de página q  2.- Traer la página a memoria y colocarla en un marco libre q  3.- Reiniciar el proceso

n  ¿Y si no hay marcos libres? à Reemplazo de páginas

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Algoritmo de reemplazo

n  Modificación en el proceso básico: q  Si no hay marco libre, usar un algoritmo de reemplazo

de página para escoger un marco víctima q  Escribir la página víctima en el disco y actualizar

tablas q  Leer la página del disco y colocarla en el marco recién

liberado y actualizar tablas q  Finalmente reiniciar el proceso de usuario

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Bit de modificación

n  Problema: q  Si no hay marcos libres se requieren dos

transferencias de páginas q  Este gasto extra puede reducirse empleando un

bit de modificación o bit sucio n  El hardware pone a 1 el bit de modificación de una

página siempre que se escribe una palabra o byte de la página

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Algoritmos de reemplazo: cómo evaluarlos n  Objetivo: Frecuencia de fallos de página sea lo más

baja posible n  Evaluamos un algoritmo ejecutándolo con una serie

específica de referencias y calculando el número de fallos de página q  La serie de referencias las podemos generar forma aleatoria o

rastreando la ejecución de un sistema dado y registrando la dirección de cada referencia a la memoria

n  Para una serie de referencias determinadas y un algoritmo concreto, determinar el número de fallos de página requiere conocer el número de marcos de los que se dispone en el sistema

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Ejemplo de cadena de referencias

0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 0103, 0104, 0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 0105 (decimal) Si el tamaño de página es de 100 bytes, se reduce a la siguiente cadena de referencias 1,4,1,6,1,6,1,6,1,6,1

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Algunos algoritmos de reemplazo

n  Básicos q  FIFO q  OPTIMO q  LRU – least recently used

n  Aproximaciones LRU q  LRU con bits de referencia adicionales q  LRU de segunda oportunidad o del reloj q  LRU de segunda oportunidad mejorado

n  De conteo q  LFU – less frequently used q  MFU – most frequently used

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Algoritmo FIFO

n  1. FIFO q  Se sustituye la página residente que lleve más tiempo en

memoria q  Fácil de implementar (cola FIFO de páginas) q  Problema: al no tener en cuenta la historia del uso de una

página dada, FIFO puede prescindir de páginas a las que se accede con frecuencia

q  Padece la anomalía de Belady (fenómeno paradójico consistente en que aumenta el número de fallos de páginas cuando se asignan más páginas reales al proceso)

q  Propiedad de pila: para cualquier punto en la cadena de referencia, el conjunto de páginas en N marcos de página es un subconjunto del que se formaría en N+1 marcos de página

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Ejemplo: FIFO

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Efecto Belady

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Algoritmo de reemplazo óptimo

n  2. Óptimo q  Escoger como víctima la página que más tarde en

volver a ser accedida q  Es el algoritmo que presenta la frecuencia de

fallos de página más baja de todos q  No implementable (requiere presciencia) q  Útil como referencia de comparación

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Ejemplo: óptimo o mínimo

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Algoritmo LRU

n  3. LRU: menos recientemente usada q  Aproximación implementable del óptimo q  Se asocia a cada página el instante en que se usó por

última vez, y en caso de reemplazo se escoge la página que tiene más tiempo sin usarse

q  Implementacion: n  Contadores (marca de tiempo) n  Pila

q  Requiere hardware adicional y es costoso q  Los sistemas reales implementan aproximaciones a la

LRU

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Ejemplo: LRU

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Aproximaciones a la LRU

n  4. Aproximación a LRU q  Tanto el reemplazo óptimo como el LRU no padecen

la anomalía de Belady q  Las técnicas basadas en LRU utilizan un bit de

referencia puesto por el hardware q  El hardware enciende el bit de referencia de una

página cada vez que se hace referencia a ella (lectura o escritura)

q  Examinando este bit no conoceremos el orden de uso, pero sí sabemos cuáles páginas se usaron y cuales no

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Varios bits de referencia

n  4.1. Algoritmo con bits de referencia adicionales q  Es posible obtener información de ordenamiento adicional si

registramos los bits de referencia a intervalos adicionales q  Por ej.: byte histórico

n  11000100 n  01110111 n  LRU: página con el número más bajo

q  No está garantizada la unicidad de dichos números (en caso de igualdad, se podría aplicar FIFO)

q  Si el número de bits históricos es cero, es decir, dejamos sólo el bit de referencia => Algoritmo de segunda oportunidad

Se usó más recientemente

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Algoritmo 2ª oportunidad o del reloj

n  4.2. Algoritmo de segunda oportunidad o algoritmo del reloj q  FIFO teniendo en cuenta el bit de referencia q  Si el valor es cero, reemplazamos la página, pero si

es 1, le damos una segunda oportunidad, ponemos su bit de referencia a cero y seleccionamos la siguiente página FIFO

q  Una forma de implementar el algoritmo de segunda oportunidad es con una cola circular

q  = FIFO si todos los bits están encendidos

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Algoritmo 2ª oportunidad o del reloj

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2ª oportunidad, mejorado

n  4.3. Algoritmo de segunda oportunidad mejorado q  = pero considerando tanto el bit de referencia como

el bit de modificación q  Cuatro situaciones: (0,0), (0,1), (1,0), (1,1) q  Se reemplaza la primera página que encontremos de

la clase más baja q  Es posible que se tenga que explorar la cola varias

veces entes de encontrar la página a reemplazar q  Ej: Macintosh

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Algoritmos de conteo: LFU, MFU

n  5. Algoritmos de conteo q  Contador del número de referencias q  5.1. Algoritmo LFU: menos frecuentemente usadas (cuenta

más baja) son las reemplazadas n  Problema: páginas que se usaron mucho durante la fase inicial

del proceso y luego no se vuelven a usar n  Solución: Desplazar las cuentas un bit a la derecha a intervalos

regulares n  Problema serio: páginas traídas recientemente, alta probabilidad

de salir (cuenta baja) q  5.2. Algoritmo MFU: más frecuentemente usada (cuenta más

alta) es la reemplazada, para evitar el problema anterior n  Problema: se pueden mantener páginas viejas a las que no se

accede

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Algoritmos de reemplazo: resumen

Problemas Hardware y/o ED necesarios

FIFO El peor resultado (mayor tasa de fallos de página)

Anomalía de Belady Lista encadenada de páginas

Optimo El mejor resultado (menor tasa de fallos de página)

No implementable

LRU Demasiada información + hardware

Contador (timestamp) en TP o pila

Aprox. LRU con bits referencia

El SO debe interrumpir y desplazar los bits referencia

Bits de referencia en TP

Aprox. LRU de 2ª oportunidad

Bit de referencia en TP + lista circular

Aprox. LRU de 2ª oportunidad mejorado

Selecciona la página que menos tiempo se tarda en reemplazar y que se ha utilizado menos recientemente

Se necesitan varias batidas en la lista circular

Bit de referencia en TP + lista circular

LFU La últimas páginas introducidas recientemente están continuamente reemplazándose

Contador en TP

MFU Las páginas mas “populares” se reemplazan

Contador en TP

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Campos en la tablas de páginas

Memoria Paginada

Memoria Virtual

Marco obligatorio obligatorio

Permisos opcional opcional

Validez obligatorio

Sucio opcional

Bloqueo opcional

FIFO LRU LRU con bits

referencia

LRU 2ª oportun.

LRU 2ª oportun. mejorado

LFU MFU

Bits de referencia

obligatorio (varios bits)

obligatorio (1! bit)

obligatorio (1! bit)

Contador (timestamp)

opcional

Contador accesos

obligatorio obligatorio

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Paginación por demanda: mejoras en el reemplazo n  Reserva de marcos libres: % de marcos

libres para no esperar a que las víctimas se escriban en disco

n  Recordar qué páginas están en los marcos libres

n  Descargar en disco las páginas modificadas en segundo plano

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Asignación de marcos a los procesos n  Reserva de marcos

q  Es conveniente definir un sistema de reparto de los marcos a los procesos en ejecución

q  Todo proceso debería tener una reserva mínima de marcos (depende del repertorio de instrucciones)

q  ¿Cómo asignar los marcos a los procesos? n  Reparto alícuoto n  Reparto proporcional (por tamaño, por prioridad) n  Reemplazo ¿global o local?

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Tipos de reemplazo

n  Reemplazo local/global q  El conjunto de páginas candidatas a sustituir está/no está

restringido al proceso que provoca la carencia de página n  Reemplazo global

q  Un mismo proceso podría tener un rendimiento muy diferente a causa de circunstancias puramente externas

n  Reemplazo local q  Podría obstaculizar la ejecución de un proceso al no

permitirle aprovechar otras páginas de memoria de poco uso n  El reemplazo global generalmente aumenta el

rendimiento del sistema y es el método más utilizado

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Hiperpaginación y área activa

n  Primeros sistemas de paginación n  SO supervisa la utilización de la CPU n  Si el aprovechamiento es demasiado bajo à aumenta el

grado de multiprogramación n  Supongamos una política de reemplazo global n  Al entrar un nuevo proceso à solicitudes de marcos (se

quitaran marcos a otros procesos, procesos que a su vez necesitaran mas marcos y los quitaran a otros procesos)

n  Resultado: Aumenta la cola de procesos en el dispositivo de paginación (el encargado de servir los fallos de página) y se va vaciando la cola de preparados

n  Consecuencia: disminuye el aprovechamiento de la CPU y entonces el planificador de CPU aumenta el grado de multiprogramación, agravando aún más el problema

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Hiperpaginación y área activa

n  Si el grado de multiprogramación es excesivo, el sistema puede estar más tiempo paginando que haciendo trabajo productivo (hiperpaginación)

n  ¿cómo evitarla? q  Políticas de reemplazo local

n  la hiperpaginación de un proceso puede afectar al resto

q  Concediendo memoria según las necesidades reales (localidades, área activa...)

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Modelo de localidades

n  Se observa que todo proceso trabaja en cada momento con unas zonas de código y datos bien delimitadas: localidad

n  Cuando se salta a otra subrutina, etc., se cambia de localidad

n  Si un proceso tiene asignada su localidad en memoria principal, no ocasiona fallos de página

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Área activa (working set)

n  Concepto que trata de aproximarse a la localidad actual de un proceso

n  Es el conjunto de páginas con el que ha trabajado un proceso en un pasado reciente Δ (ventana del área activa) :

q  WS(t, Δ) = páginas accedidas entre t y t- Δ

n  Si Δ tiene el tamaño adecuado, es una fiel aproximación de la localidad actual

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Área activa

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Área activa: cómo aplicarla en la gestión de memoria virtual

n  El SO vigila el área activa de cada proceso y le asigna un número de marcos igual a su tamaño

n  Si hay suficientes marcos adicionales, se puede iniciar otro proceso

n  Si la suma de los tamaños de las áreas activas aumenta hasta exceder el número total de marcos disponibles, el SO seleccionará un proceso para suspenderlo

n  La estrategia del área activa evita la hiperpaginación al tiempo que mantiene el grado de multiprogramación lo más alto posible

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¿Cómo detectar las áreas activas? n  Lo difícil del modelo del área activa es cómo sabe el SO cuál es el

área activa de un proceso en cada momento n  Implementación

q  El área activa se puede estimar utilizando el bit de referencia, de forma similar a la LRU n  A intervalos regulares, los bits de referencia de las páginas

residentes pueden ser registrados (nº de bits históricos) y borrados

n  De esta forma tenemos una especie de historial de uso

q  Si se descubre que un proceso no tiene páginas suficientes para su área activa, se le suspende por completo: así se evita la hiperpaginación

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Frecuencia de fallos de página (PFF) n  Podemos establecer límites superiores e inferiores para

la frecuencia de fallos de página deseada n  Si la PFF de un proceso es muy baja, le quitamos

páginas; si es muy alta, le damos más páginas n  Si la PFF global aumenta y no hay marcos libres,

seleccionamos un proceso y lo suspendemos n  Los marcos de página se repartirán entre los procesos

que tengan fallos de página muy frecuentes

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Prepaginación

n  Prepaginación: cuando se reanuda un proceso que estaba en swap, traer a memoria principal todas las páginas del área activa

q  Para cada proceso se guarda también la información relativa al área activa

q  La prepaginación puede ser ventajosa en algunos casos (cuando el costo de la prepaginación sea menor que el de atender los fallos de página correspondientes)

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Tamaño de página óptimo

n  La eficiencia de las operaciones de E/S (disco) y el espacio consumido en tablas recomiendan tamaños de página grandes

n  La localidad y la fragmentación recomiendan tamaños de página pequeños

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Influencia de la estructura del código n  Estructura de los programas

q  La forma en que se accede a los datos q  Las estructuras de datos que se emplean q  Cómo se estructura el código (el compilador y el

cargador también pueden tener efecto sobre la paginación)

q  El lenguaje de programación (la localidad es mejor en lenguajes con uso restringido de punteros)

Influyen en el rendimiento de la memoria virtual

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Otras consideraciones

n  Interbloqueo de E/S cuando se emplea DMA q  E/S pendiente en una página reemplazada q  Soluciones:

n  Búferes en memoria del SO n  Permitir fijar páginas en memoria (bit de bloqueo)

n  Tiempo real: la m.v. es nociva en un sistema de t.r.

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Otras técnicas: segmentación por demanda n  Segmentación por demanda

q  La unidad de gestión es el segmento q  Ej: OS/2 en el Intel 80286

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Memoria virtual: sumario n  Estrategias

Paginación bajo demanda Algoritmos de reemplazo de páginas Algoritmos de asignación de marcos

n  Mejoras Reserva de marcos libres Evitar Hiperpaginación

n  Otras consideraciones Prepaginación Tamaño de página Estructura de los programas Interbloqueo de E/S con DMA

• FIFO • OPT • LRU

• LRU bits adicionales • LRU 2ª oport. • LRU 2ª oport. mejorado

• LFU • MFU

• Reserva de marcos • Reemplazo local / global

•  Reemplazo local •  Localidades/área activa •  Frecuencia de fallos de página

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