Sebastián Sánchez Prieto

Presentación del tema: "Sebastián Sánchez Prieto"— Transcripción de la presentación:

1 Sebastián Sánchez Prieto
Gestión de Memoria Sebastián Sánchez Prieto

2 Objetivo Mostrar la evolución de los distintos esquemas de gestión de memoria Máquina desnuda Monitor monolítico o residente Asignación de memoria particionada contigua Asignación de memoria particionada no contigua Memoria virtual  S2P, OGP & IGT

3 Máquina desnuda Memoria Usuario
Es la manera más sencilla de gestionar la memoria: no existe ningún gestor El usuario controla toda la memoria El sistema no porporciona ningún servicio Memoria Usuario  S2P, OGP & IGT

4 Monitor monolítico o residente
Protección: MEMORIA MONITOR Dirección límite CPU Sí Dirección>Límite No Error de direccionamiento  S2P, OGP & IGT

5 Memoria particionada contigua
Se asigna una partición de memoria a cada proceso Protección: registros límite o base-límite Fragmentación externa: compactación MFT MVT Sistema multiprogramado con tamaño y número de particiones fijo Sistema multiprogramado con tamaño y número de particiones variable Fragmentación interna y externa Fragmentación externa Desventaja en la asignación dinámica de memoria Ventaja en la asignación dinámica de memoria Problema: intercambio de trabajos con E/S pendiente Requiere algoritmos de gestión de memoria más complejos  S2P, OGP & IGT

6 Error de direccionamiento
Registros límite No soporta reubicación dinámica MEMORIA Límite inferior Límite inferior CPU Programa X <= >= Sí Sí No No Error de direccionamiento  S2P, OGP & IGT

7 Registros base-límite
Soporta reubicación dinámica MEMORIA Límite Base CPU Sí Programa X < + Límite No Error de direccionamiento  S2P, OGP & IGT

8 Tabla de descripción de particiones
0K 100K 400K 500K 750K 900K 1000K Sistema operativo Pi Pj Pk Número Base Tamaño Estado de la de la de la de la partición partición partición partición 0K K ASIGNADA 100K K LIBRE 400K K ASIGNADA 500K K ASIGNADA 700K K ASIGNADA 900K K LIBRE 1 2 3 4 5  S2P, OGP & IGT

9 Memoria particionada no contigua
Esquemas ya vistos: Segmentación Paginación Segmentación paginada Paginación segmentada  S2P, OGP & IGT

10 Memoria virtual: recordatorio
Problema: ejecutar programas de tamaño mayor que la memoria física disponible Mayor grado de multiprogramación Transparencia Soluciones Overlays: Control directo por parte del programador Memoria virtual: Control realizado por el S.O. La memoria virtual (MV) se basa en el principio de localidad de las referencias. Mantener en memoria principal sólo la información que se necesite en cada momento Reducción de la E/S Actúa como una caché de objetos Archivos, swap, dispositivos  S2P, OGP & IGT

11 Memoria virtual: recordatorio
Implementación: basada tanto en mecanismos de paginación o segmentación Problemática: Detectar si la información referenciada está en memoria principal Si no lo está, localización en disco Políticas de ubicación y asignación de páginas Habitualmente se usa paginación: Bloques de tamaño fijo, las transferencias desde y hacia el disco son más simples Políticas de ubicación son más simples: todos los bloques son iguales Soporte Hardware requerido: Tablas de páginas Bits de validez, referencia y modificación Instrucciones interrumpibles Almacenamiento secundario  S2P, OGP & IGT

12 Paginación: resumen S. O. Memoria secundaria Memoria principal
Programa S. O. Memoria principal Marco libre Tabla de páginas 2 Excepción 3 La página está en memoria auxiliar 4 Cargar la página que falla Memoria secundaria LOAD M 6 1 Referencia Reiniciar la instr. 5 Actualizar la tabla de páginas  S2P, OGP & IGT

13 Hiperpaginación (Thrashing)
Hiperpaginación: Un proceso genera fallos de página frecuentemente y el sistema pasa la mayor parte del tiempo paginando Thrashing Utilización de la CPU Grado de multiprogramación  S2P, OGP & IGT

14 Hiperpaginación (Thrashing)
Posible causa de la hiperpaginación: Un proceso necesita más marcos, su tasa de fallos de página aumenta y se produce la siguiente reacción en cadena: Disminuye el uso de la CPU El S.O. decide aumentar el grado de multiprogramación La tasa de fallos de página se incrementa más Soluciones: Reducir la multiprogramación o emplear un algoritmo de reemplazo local o por prioridades Prevenir la hiperpaginación  S2P, OGP & IGT

15 Modelo del conjunto de trabajo
Se basa en la localidad Formado por las páginas recientemente accedidas Las páginas en uso se encuentran en el CdT El conjunto de trabajo varía con el tiempo Número de páginas del almacenamiento primario asignadas al proceso Tiempo  S2P, OGP & IGT

16 ¿Cómo determinar el CdT?
El verdadero CdT lo forman las páginas que deben estar en el almacenamiento primario para la ejecución eficaz del proceso W = tamaño de la ventana del CdT ¿Cómo afecta el tamaño de W? w Tiempo de ejecución de un proceso t-w t Las páginas referenciadas por el proceso durante este intervalo constituye el conjunto de trabajos W(t,w), del proceso  S2P, OGP & IGT

17 Frecuencia de fallos de página
La estrategia de la PFF es un enfoque más directo para evitar el vapuleo Se establece un límite superior e inferior para la PFF y así evitar el thrashing Incrementar el número de marcos límite superior Frecuencia de fallos de página límite inferior Decrementar el número de marcos Número de marcos  S2P, OGP & IGT

18 Memoria virtual: algoritmos
Política de asignación: ¿Qué cantidad de memoria real se asigna a un proceso activo? Política de ubicación: ¿Dónde puede ubicarse un bloque en memoria principal? Política de búsqueda: ¿Cuándo y qué bloques traer del almacenamiento secundario a MP? Paginación anticipada Paginación por demanda Política de reemplazo: ¿Qué bloque debería sustituirse al traer a memoria principal un nuevo bloque si no hay memoria libre?  S2P, OGP & IGT

19 Políticas de asignación
El mínimo número de marcos que debe asignarse a un proceso está definido por la arquitectura Ámbito del reemplazo de páginas Tipos de algoritmos de asignación: Asignación equitativa Asignación proporcional Asignación prioritaria Ventajas Las páginas de un proceso en memoria dependen sólo de su comportamiento Mejor aprovechamiento de la memoria Reemplazo local Reemplazo global  S2P, OGP & IGT

20 Políticas de ubicación
Métodos utilizados para contabilizar la memoria utilizada y libre: Mapa de bits Listas Políticas de ubicación: En paginación: “Indiferente” En segmentación First fit: el primero que sirva Next fit: el siguiente que sirva Best fit: el que mejor se adapte Worst fit: el que peor se adapte Sistema Buddy  S2P, OGP & IGT

21 Sistema Buddy 1024 Kb P1 128 256 512 P1 P2 64 256 512 P1 P2 64 P3 128
Bloques libres Inicial P1 pide 70 P2 pide 35 P3 pide 80 Devuelve P1 P4 pide 60 Devuelve P2 Devuelve P4 Devuelve P3 1 3 4 1024 Kb P1 128 256 512 P1 P2 64 256 512 P1 P2 64 P3 128 512 128 P2 64 P3 128 512 128 P2 P4 P3 128 512 128 64 P4 P3 128 512 256 P3 128 512 1024 Kb  S2P, OGP & IGT

22 Paginación por demanda
El camino que toma un programa cuando se está ejecutando no es predecible Se cargan las páginas a medida que se necesitan Ventajas: Las páginas traídas son las que realmente se necesitan La sobrecarga que implica la decisión de qué páginas traer al almacenamiento principal es mínima  S2P, OGP & IGT

23 Paginación anticipada (prepaginación)
Trata de evitar los retardos por fallos de página Se cargan un cierto número de páginas en base a una predicción Ventajas: Si la predicción es buena, el tiempo de ejecución de los procesos se reduce considerablemente Con la reducción de costes del hardware, las consecuencias de una mala predicción son menos graves  S2P, OGP & IGT

24 Reemplazo de páginas Es necesario cuando se produce un fallo de página y está toda la memoria llena Tasa de fallos  uno por cada 106 – 2 x 107 accesos Si hay un fallo de página (miss) hay que: Encontrar la página demandada en memoria auxiliar Encontrar un marco libre o liberarlo usando un algoritmo de reemplazo de páginas Cargar la página en memoria principal (page in) Transferir el control al proceso de usuario  S2P, OGP & IGT

25 Algoritmos de reemplazo de páginas
Se pretende utilizar el algoritmo que seleccione páginas que causen la frecuencia de fallos más baja Criterios para valorar la calidad de los algoritmos de sustitución: Baja sobrecarga Sin ajustes (“No tuning”) Aproximación al LRU (menos usada recientemente)  S2P, OGP & IGT

26 Cadenas de referencia Para evaluar la calidad de los algoritmos de sustitución se consideran: Cadenas de referencia: listas de referencias a páginas Número de marcos de página de que se dispone Obtención de las cadenas de referencia: Artificialmente, de forma pseudoaleatoria Grabando una traza de ejecución  S2P, OGP & IGT

27 Cadenas de referencia Ejemplo: 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 0103, , 0610, 0102, 0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 0105 Con páginas de 100h palabras Cadena de referencias: sólo nos interesa el número de página si se referencia una página p, las referencias inmediatamente sucesivas a esa página nunca causarán fallo de página 1, 4, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1 Con tres marcos habrá 3 fallos y con 1 marco 11 fallos si el número de marcos aumenta, en general, el número de fallos de página disminuye  S2P, OGP & IGT

28 Algoritmos de reemplazo de páginas
Existen diferentes algoritmos, entre ellos: Algoritmo óptimo Algoritmo FIFO Algoritmo LRU Algoritmos de aproximación al LRU  S2P, OGP & IGT

29 Algoritmo óptimo Se reemplaza la página que va a tardar más tiempo en ser usada La tasa de fallos es la más baja posible Algoritmo imposible de realizar Criterio comparativo  S2P, OGP & IGT

30 Algoritmo óptimo Marcos de página Ejemplo: Cadena de referencia
3 1 7 2 4 8 fallos de página  S2P, OGP & IGT

31 Algoritmo FIFO Marcos de página
Sustituye la página que lleva más tiempo en memoria Ejemplo: Cadena de referencia Marcos de página 2 1 7 3 4 12 fallos de página  S2P, OGP & IGT

32 Algoritmo FIFO Algoritmo sencillo de entender e implementar
Inconvenientes: Rendimiento del algoritmo pobre. Páginas frecuentemente usadas pueden ser sustituidas Se puede producir la Anomalía de Belady: aumento del número de fallos de página al aumentar el número de marcos  S2P, OGP & IGT

33 Con 3 marcos, 9 fallos de págna
Anomalía de Belady Ejemplo: Con 3 y 4 marcos de página Con 3 marcos, 9 fallos de página 5 1 4 2 3 Con 3 marcos, 9 fallos de págna Con 4 marcos, 10 fallos de página  S2P, OGP & IGT

34 Algoritmo LRU (Least Recently Used)
Algoritmo de aproximación al reemplazo óptimo Basado en utilizar el pasado reciente como una predicción del futuro más próximo Sustituye la página menos usada en el pasado inmediato Carece de la anomalía de Belady La implementación requiere de hardware adicional: Campo en las entradas de la tabla de páginas Pila de las páginas en memoria  S2P, OGP & IGT

35 Algoritmo LRU (Least Recently Used)
¿Podría comportarse erróneamente el algoritmo con un bucle que ocupa varias páginas? Ejemplo: Cadena de referencia Marcos de página 2 1 7 3 4 11 fallos de página  S2P, OGP & IGT

36 Algoritmos de aproximación al LRU
Existen diferentes algoritmos, entre ellos: Algoritmo del reloj global Algoritmo FIFO con segunda oportunidad Algoritmo NFU  S2P, OGP & IGT

37 Algoritmo del reloj global
Se colocan todas las páginas que pueden ser sustituidas en una lista circular Un proceso de sistema borra los bits de referencia cada cierto tiempo utilizando un puntero giratorio Si en la siguiente vuelta el bit sigue desactivado, la página en cuestión es una buena candidata a ser sustituida 7 2 10 5 20 8 16 1 34 9 Páginas  S2P, OGP & IGT

38 Algoritmo FIFO con segunda oportunidad
Combina sencillez y buen rendimiento Emplea un bit de referencia asociado a cada página Pasos del algoritmo: Se elige una página con criterio FIFO y se examina su bit de referencia Si el bit de referencia está activo, se desactiva y se trata la página como si se acabara de llegar a memoria. Volver a 1 Si el bit de referencia está desactivado, se sustituye la página Generalmente se implementa mediante una cola FIFO circular con las páginas cargadas  S2P, OGP & IGT

39 Algoritmo FIFO con segunda oportunidad
Ejemplo: Cadena de referencia Marcos de página 7 7 7 7 2 2 2 2 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 2 2 7 1 2 3 4 2 3 R 1 R 1 7 7 1 R 7 1 R 2 1 R 7 1  S2P, OGP & IGT

40 Algoritmo FIFO con segunda oportunidad
Ejemplo: Cadena de referencia 1 2 R 12 fallos de página Marcos de página 7 3 4  S2P, OGP & IGT

41 Algoritmo NFU (Not Frequently Used)
Algoritmo que simula por software el algoritmo LRU Utiliza un contador asociado a cada página que se incrementa en cada interrupción de reloj de acuerdo con el valor del bit de referencia En cada pulso de reloj se borra el valor del bit de referencia Si hay un fallo de página se elige la página con el valor mínimo del contador para su sustitución  S2P, OGP & IGT

42 Algoritmo NFU (Not Frequently Used)
Ejemplo: Cadena de referencia C R 1 2 3 4 7 1ª interrupción de reloj 2ª interrupción de reloj 3ª interrupción de reloj 4ª interrupción de reloj Interrupción 1ª 2ª  S2P, OGP & IGT

43 Algoritmo NFU (Not Frequently Used)
Ejemplo: Cadena de referencia 9 fallos de página 1 2 R 4 C 3 7 1ª interrupción de reloj 2ª interrupción de reloj 3ª interrupción de reloj 4ª interrupción de reloj Estado final  S2P, OGP & IGT

44 Algoritmo NFU (Not Frequently Used)
Problema: ¿qué sucede si una página se usó mucho en la fase inicial de un proceso y luego no se vuelve a utilizar? Solución: mecanismos que permitan envejecimiento de los contadores Desplazar los contadores 1 bit a la derecha antes de añadir el bit de referencia Añadir el bit de referencia al bit del extremo izquierdo del contador  S2P, OGP & IGT

45 Caso de estudio: Mach 3.0 Posee un algoritmo FIFO con segunda oportunidad Utiliza tres colas de páginas: Cola de páginas libres Cola de páginas activas Colas de páginas inactivas Un demonio denominado “pageout” mueve páginas: Desde la cola de páginas activas a la cola de páginas inactivas Desde la cola de páginas inactivas a la de páginas libres  S2P, OGP & IGT

46 Caso de estudio: Mach 3.0 Las colas activa e inactiva son FIFO
Las páginas que están en la cola inactiva y son referenciadas, se pasan a la cola activa Cola libre Cola activa Cola inactiva Localización Pageout Scan Referencia  S2P, OGP & IGT

47 Caso de estudio: Mach 3.0 Código base de “pageout”:
if (free_queue_pages < vm_page_free_min) { while ((free_queue_pages < vm_page_free_target) && (Inactive_queue)) move pages from inactive queue to free queue } if (inactive_queue_pages < vm_page_inactive_target) move pages from active queue to inactive queue else sleep  S2P, OGP & IGT

48 Nivel 1 Nivel2 Nivel3 Desplazamiento
Caso de estudio: Linux Niveles de tablas en Linux Nivel Nivel2 Nivel Desplazamiento Página física Tabla de páginas Tabla de páginas Tabla de páginas #Página #Página #Página PGD  S2P, OGP & IGT

49 Caso de estudio: Linux Memoria virtual del proceso Datos Código
vm_area_struct Memoria virtual del proceso task_struct vm_end vm_start vm_flags mm vm_inode vm_ops Datos mm_struct vm_next open ( ) close ( ) count pgd vm_area_struct vm_end swapout () vm_start swapin ( ) mmap vm_flags vm_inode Operaciones de memoria virtual Código vm_ops vm_next  S2P, OGP & IGT

50 Caso de estudio: Linux Memoria física free_area mem_map_t mem_map_t
Marco 0 Libre count age map_nr= 70 count age map_nr= 4 4 map Marco 1 3 Marco 2 2 Marco 3 Marco 4 1 mem_map_t Marco 5 count age map_nr= 0 Marco 6 Marco 7 Marco 8  S2P, OGP & IGT

51 Caso de estudio: Linux Paginación bajo demanda
Apertura y proyección del programa sobre las áreas de memoria virtual del proceso Fallo de página No Paginación bajo demanda ¿Dirección legal? Acceso ilegal. Enviar señal SIGSEV al proceso No ¿Acceso legal? Sí Fallo de página legal Traer página desde el área de intercambio Traer página desde el archivo en disco No Sí ¿Entrada vacía en la TP?  S2P, OGP & IGT

52 Caso de estudio: Linux Gestión del área de intercambio:
Un demonio de intercambio (kswapd) se encarga de mantener suficientes marcos libres kswapd se ejecuta como un hilo del núcleo activándose en el arranque del sistema kswapd cada segundo comprueba si el número de marcos libres es demasiado bajo. Si es así, busca marcos que puedan ser descartados o sustituidos Algoritmo implementado en el demonio: algoritmo de aproximación al LRU con envejecimiento  S2P, OGP & IGT

53 Caso de estudio: Linux Técnica de envejecimiento de páginas:
Al asignar un marco de página se le asocia por defecto edad 3 Las páginas rejuvenecen al acceder a ellas (edad+3 hasta un máximo de 20) Cada vez que se ejecuta kswapd envejece las páginas en 1 si no se usan Las páginas víctimas para los intercambios se eligen de entre las páginas viejas (edad 0) y modificadas En función de la operación vm_ops->swapout de la región de memoria (vm_area_struct), la página víctima se lleva a disco.  S2P, OGP & IGT

54 Caso de estudio: Linux Si una página modificada se lleva a disco:
su entrada en la tabla de páginas se marca como inválida se incluye la información para su recuperación posterior y se libera, añadiéndola en la free_area Las páginas no modificadas no se sustituyen: se descarta su contenido se marcan como libres, añadiéndolas en la free_area Si se recuperan suficientes páginas del proceso seleccionado, el demonio dormirá de nuevo Si no se liberan suficientes páginas del proceso actual, se continúa con el siguiente proceso El demonio empezará en la página siguiente en una nueva activación  S2P, OGP & IGT

55 Caso de estudio: Linux Proceso A Tabla de páginas A Página 0 Página 1
BV BR BM Página 0 Página 1 Página 2 Página 3 1 2 Página 0 Página 1 Página 3 Página 2 Memoria física Marco 0 Marco 1 Marco 2 Marco 3 Marco 4 Marco 5 Tabla de páginas B Proceso B BV BR BM Página 0 Página 1 Página 2 3 4  S2P, OGP & IGT

56  kswapd Caso de estudio: Linux Edad de los marcos de página 0 1 2 3 4
Proceso A Tabla de páginas A 7 9 3 BV BR BM Página 0 Página 1 Página 2 Página 3 1 x Memoria física free_area Página 3 2 1 Página 0 Página 1 2 4 Tabla de páginas B Proceso B Página 1 BV BR BM Página 0 Página 1 Página 2 swap 3 1 x  S2P, OGP & IGT

57 Caso de estudio: W2K El gestor de memoria virtual de WNT utiliza un algoritmo de reemplazo de páginas local tipo FIFO La política de reemplazo sustituye la página más antigua del conjunto de páginas del proceso que causó el fallo Conjunto de trabajo (WS): número de páginas que el proceso tiene garantizadas en memoria mientras se está ejecutando Páginas nuevas Páginas antiguas Conjunto de trabajo  S2P, OGP & IGT

58 Caso de estudio: W2K Al crearse un proceso se le asigna un tamaño mínimo del WS El gestor varía el tamaño de los WS de los procesos según los requirimientos de memoria: Incrementa la memoria libre del sistema (recorte automático del WS) de un proceso si su tamaño es mayor que el mínimo Incrementa el tamaño del WS hasta un máximo si el proceso genera fallos de página y la memoria no está demasiado llena Si el proceso requiere más páginas, se eliminan páginas de su WS empleando el algoritmo FIFO  S2P, OGP & IGT

59 Caso de estudio: W2K Las páginas eliminadas del WS pueden volver a él rápidamente sin realizar lectura del disco Permanecen en memoria en uno de estos estados: Standby: el proceso utiliza el marco de página pero ha sido eliminado del WS Modificado: = Standby pero el proceso ha escrito en la página sin actualización de disco lista de páginas en standby o modificadas Conjunto de trabajo  S2P, OGP & IGT

60 Caso de estudio: W2K WS de procesos Fallo de página cero
Lectura de página del disco o núcleo Lista de marcos Standby Lista de marcos libres Lista de marcos Cero WS de procesos Fallos de página “soft” Escritor de marcos modific. Hilo de marco Cero Lista de marcos Modific. Sustitución en el WS Lista de marcos erróneos Finaliza el proceso  S2P, OGP & IGT