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Gestión de Memoria Sebastián Sánchez Prieto. Gestión de Memoria 2 1999-2004 S2P, OGP & IGT Objetivo Mostrar la evolución de los distintos esquemas de.

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1 Gestión de Memoria Sebastián Sánchez Prieto

2 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

3 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Máquina desnuda 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 Usuario Memoria

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

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

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

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

8 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Tabla de descripción de particiones Sistema operativo Pi Pj Pk 0K 100K ASIGNADA 100K 300K LIBRE 400K 100K ASIGNADA 500K 250K ASIGNADA 700K 150K ASIGNADA 900K 100K LIBRE 0K 100K 400K 500K 750K 900K 1000K Número Base Tamaño Estado dela de la de la de la partición partición

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

10 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

11 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

12 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Paginación: resumen Programa S. O. Memoria principal Marco libre 0 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

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

14 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

15 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

16 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT ¿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? tt-w w Tiempo de ejecución de un proceso Las páginas referenciadas por el proceso durante este intervalo constituye el conjunto de trabajos W(t,w), del proceso

17 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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 límite superior límite inferior Incrementar el número de marcos Decrementar el número de marcos Número de marcos Frecuencia de fallos de página

18 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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?

19 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

20 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

21 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT P2 P1 Sistema Buddy Kb P P2 64 P2 64 P4 P Kb 256 Inicial P1 pide 70 P2 pide 35 P3 pide 80 Devuelve P1 P4 pide 60 Devuelve P2 Devuelve P4 Devuelve P Bloques libres

22 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

23 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

24 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Reemplazo de páginas Es necesario cuando se produce un fallo de página y está toda la memoria llena Tasa de fallos uno por cada 10 6 – 2 x 10 7 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

25 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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)

26 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

27 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

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

29 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

30 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Algoritmo óptimo Ejemplo: Cadena de referencia Marcos de página fallos de página 40 2

31 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Algoritmo FIFO Sustituye la página que lleva más tiempo en memoria Ejemplo: Cadena de referencia

32 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

33 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Anomalía de Belady Ejemplo: Con 3 y 4 marcos de página Con 3 marcos, 9 fallos de página Con 3 marcos, 9 fallos de págna Con 4 marcos, 10 fallos de página

34 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

35 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Algoritmo LRU ( Least Recently Used) ¿Podría comportarse erróneamente el algoritmo con un bucle que ocupa varias páginas? Ejemplo: Cadena de referencia Marcos de página fallos de página

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

37 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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 Páginas

38 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Algoritmo FIFO con segunda oportunidad Combina sencillez y buen rendimiento Emplea un bit de referencia asociado a cada página Pasos del algoritmo: 1. 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

39 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Algoritmo FIFO con segunda oportunidad Ejemplo: Cadena de referencia Marcos de página R111R R011R R001R R000R R100R

40 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT Algoritmo FIFO con segunda oportunidad Ejemplo: Cadena de referencia R111R fallos de página Marcos de página

41 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

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

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

44 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

45 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

46 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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 activaCola inactiva LocalizaciónPageout Scan Referencia

47 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

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

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

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

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

52 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

53 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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.

54 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

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

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

57 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

58 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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

59 Gestión de Memoria S2P, OGP & IGT 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 Conjunto de trabajo lista de páginas en standby o modificadas

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


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