Tema 10 4 Gestin de Memoria Virtual Antecedentes

Antecedentes n Memoria virtual – separación de la memoria lógica de la física l

Memoria Virtual Mayor que la Memoria Física Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr.

Espacio de Direcciones Virtuales Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006

Paginación por Demanda n Trae una página a memoria sólo cuando hace falta l

Bit de Validez n En cada entrada de la tabla de páginas hay un

Tabla de Páginas cuando hay Páginas Ausentes Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr.

Fallo de Página n La primera referencia a una página producirá una 1. 2.

Fallo de Página n Instrucciones problemáticas para el reinicio de instrucción l Instrucciones de

Pasos del Manejo de un Fallo de Páginas Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist.

Rendimiento de la Paginación por Demanda n Tasa de fallo de páginas 0 p

Ejemplo de Paginación por Demanda n Tiempo de acceso a memoria = 200 ns

Qué Pasa Si No Hay Marco Libre? n Reemplazo de páginas – encuentra una

Reemplazo de Páginas n Previene la sobreasignación de memoria modificando la rutina de fallo

Necesidad de Reemplazo de Páginas Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005

Reemplazo de Páginas Básico 1. Encontrar la ubicación de la página deseada en disco

Reemplazo de Páginas Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema

Algoritmos de Reemplazo de Páginas n El objetivo es una tasa de fallos de

Fallo de Páginas Frente a Número de Marcos Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist.

Algoritmo First-In-First-Out (FIFO) n Cadena de referencias: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5,

Reemplazo de Páginas FIFO Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006

Anomalía de Belady Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema

Algoritmo Óptimo n Reemplaza la página que será usada más tarde n Ejemplo con

Reemplazo de Páginas Óptimo Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006

Algoritmo (LRU, Least Recently Used) n Cadena de referencias: 1, 2, 3, 4, 1,

Reemplazo de Páginas LRU Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006

Algoritmo LRU n Implementación con pila – se mantiene una pila de números de

Algoritmos de Aproximación al LRU n Bit de referencia l Con cada página se

Algoritmo de Segunda Oportunidad (de Reloj) Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ),

Algoritmos de Conteo n Se necesita un contador con el número de referencias que

Asignación de Marcos n Cada proceso necesita un número mínimo de páginas; ese número

Asignación Fija n Asignación equitativa – Por ejemplo, si hay 100 marcos y 5

Asignación por Prioridad n Usa un esquema de asignación proporcional basado en las prioridades

Asignación Local y Global n Reemplazo global – se escoge para reemplazar un marco

Hiperpaginación n Si un proceso no tiene suficientes páginas, la tasa de fallos de

Hiperpaginación Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4:

Paginación por Demanda e Hiperpaginación n n Por qué funciona la paginación por demanda?

Patrón de Referencias a Memoria Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005

Modelo de Conjunto de Trabajo n ventana del conjunto de trabajo un número fijo

Modelo de Conjunto de Trabajo Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005

Siguiendo la Pista al Conjunto de Trabajo n Se aproxima con un temporizador y

Frecuencia de Fallos de Página n Es otra forma de evitar la hiperpaginación n

Prepaginación n Prepaginación l Se usa para reducir el gran número de fallos de

Tamaño de las Páginas n Para la selección del tamaño de página hay que

Estructura del Programa n Estructura del Programa l int data[128]; Cada fila se almacena

Interbloqueo de E/S n Interbloqueo de E/S – A veces las páginas deben bloquearse

Windows XP n Usa paginación por demanda con agrupamiento (clustering). El clustering trae a

Solaris n Mantiene una lista de marcos libres para asignar a los procesos que

Escaneador de Páginas de Solaris 2 Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ),

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Tema 10. 4: Gestión de Memoria Virtual

Antecedentes n Memoria virtual – separación de la memoria lógica de la física l Sólo parte del programa necesita estar en memoria en un momento dado para continuar su ejecución l El espacio de direcciones lógicas puede ser mayor que el espacio de direcciones físicas l Permite compartir espacios de direcciones entre procesos l Permite una creación de procesos más eficiente n La memoria virtual suele implementarse usando: l Paginación por demanda l Segmentación por demanda Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 2 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Paginación por Demanda n Trae una página a memoria sólo cuando hace falta l La E/S se reduce l Se requiere menos memoria l La respuesta es más rápida l Puede haber más procesos en memoria n Se necesita una página la página es referenciada l referencia inválida aborta l no está en memoria se trae a memoria n “Intercambiador” perezoso – nunca trae una página a memoria salvo si es necesario l El intercambiador que trabaja con páginas es un paginador Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 5 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Bit de Validez n En cada entrada de la tabla de páginas hay un bit de validez (v en memoria, i no en memoria o acceso ilegal) Al comienzo el bit de validez es inicializado a i en todas las entradas n Ejemplo de tabla de páginas: n # Marco Bit de validez v v i …. i i Tabla de páginas n Durante la traducción de direcciones, si el bit de validez de la entrada de la tabla de páginas es i fallo de página Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 6 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Fallo de Página n La primera referencia a una página producirá una 1. 2. 3. 4. excepción capturada por el SO: fallo de página El SO mira en la tabla de páginas para decidir qué hacer: l Referencia inválida aborta l No está en memoria continúa Obtiene un marco libre Carga la página en el marco Resetea las tablas 5. Establece el bit de validez a v 6. Reinicia la instrucción que causó el fallo de página Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 8 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Fallo de Página n Instrucciones problemáticas para el reinicio de instrucción l Instrucciones de cadenas Auto incremento/decremento n Soluciones l Comprobar antes de ejecutar la instrucción que no va a producirse un fallo de página l Almacenar los valores antiguos en registros temporales l Guardar el estado del microcódigo del procesador l Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 9 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Rendimiento de la Paginación por Demanda n Tasa de fallo de páginas 0 p 1 l si p = 0, no hay fallo de páginas l si p = 1, cada referencia produce un fallo n Tiempo de acceso efectivo (EAT) EAT = (1 – p) x acceso a memoria + p (sobrecarga por fallo de página + escribir página + traer página + sobrecarga de reinicio ) Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 11 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Ejemplo de Paginación por Demanda n Tiempo de acceso a memoria = 200 ns n Promedio del tiempo de servicio de un fallo de páginas = 8 ms n EAT = (1 – p) x 200 + p x 8. 000 = 200 + p x 7. 999. 800 n Si uno de cada 1. 000 accesos causa un fallo de páginas EAT = 8, 2 μs El tiempo de ejecución se reduce en un factor de 41!! Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 12 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Qué Pasa Si No Hay Marco Libre? n Reemplazo de páginas – encuentra una página en memoria que no se esté usando y la retira l se usa un algoritmo de reemplazo l objetivo – minimizar el fallo de páginas n La misma página podría ser traída a memoria varias veces Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 13 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Reemplazo de Páginas n Previene la sobreasignación de memoria modificando la rutina de fallo de páginas para incluir el reemplazo de páginas n Se usa el bit de modificado (suciedad) para reducir la sobrecarga por transferencias de páginas – sólo las páginas modificadas se escriben a disco n El reemplazo de páginas completa la separación entre la memoria lógica y la memoria física – se puede proporcionar una gran cantidad de memoria virtual sobre una menor memoria física Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 14 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Reemplazo de Páginas Básico 1. Encontrar la ubicación de la página deseada en disco 2. Encontrar un marco libre: - Si hay un marco libre, usarlo - Si no hay un marco libre, usar un algoritmo de reemplazo para escoger el marco víctima 3. Traer la página deseada al (nuevo) marco libre; actualizar las tablas de páginas y de marcos 4. Continuar con la ejecución del proceso Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 16 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmos de Reemplazo de Páginas n El objetivo es una tasa de fallos de página lo más baja posible n Los algoritmos se evalúan ejecutándolos sobre una cadena de referencias a memoria y calculando el número de fallos de página producidos con esa cadena n En todos nuestros ejemplos, la cadena de referencias será 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 18 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmo First-In-First-Out (FIFO) n Cadena de referencias: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 n 3 marcos (3 páginas en memoria por proceso) n n 1 1 4 5 2 2 1 3 3 3 2 4 1 1 5 4 2 2 1 5 3 3 2 4 4 3 9 fallos de página 4 marcos 10 fallos de páginas Anomalía de Belady: más marcos más fallos de página Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 20 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmo Óptimo n Reemplaza la página que será usada más tarde n Ejemplo con 4 marcos 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 1 4 2 6 fallos de página 3 4 5 n En general, no conocemos los accesos futuros a memoria n Este algoritmo se usa para estudiar el rendimiento de otros Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 23 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmo (LRU, Least Recently Used) n Cadena de referencias: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 1 1 5 2 2 2 3 5 5 4 4 3 3 3 n Implementación contador l Cada entrada de página tiene un contador; cada vez que la página es referenciada se copia la hora en el contador l Cuando una página necesita ser cambiada, se miran los contadores para determinar cuál se cambia Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 25 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmo LRU n Implementación con pila – se mantiene una pila de números de página: l Cuando una página es referenciada: 4 Se l mueve a la cabeza de la pila En el reemplazo se escoge la página de la cola de la pila Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 27 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmos de Aproximación al LRU n Bit de referencia l Con cada página se asocia un bit, inicialmente puesto a 0 l Cuando se referencia una página el bit se pone a 1 l Se reemplaza la página con el bit a 0 (si hay alguna) 4 Esto no permite conocer el orden de uso n Algoritmo de segunda oportunidad l Necesitamos un bit de referencia l También se denomina algoritmo de reloj l Si la página a reemplazar (de acuerdo al orden del reloj) tiene el bit de referencia a 1: 4 Se pone el bit a 0 4 Se deja la página en memoria 4 Trata de reemplazar la siguiente página siguiendo el orden del reloj Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 28 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Algoritmos de Conteo n Se necesita un contador con el número de referencias que se han hecho a cada página n Algoritmo LFU: reemplaza la página con el valor más bajo en el contador n Algoritmo MFU: reemplaza la página con el valor más alto en el contador l Se basa en el argumento de que la página con el número más pequeño en el contador acaba de ser traída y aún no se usa Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 30 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Asignación de Marcos n Cada proceso necesita un número mínimo de páginas; ese número depende de la máquina n Ejemplo: IBM 370 – se pueden necesitar hasta 6 páginas para una instrucción SS MOVE: l La instrucción ocupa 6 bytes, podría requerir 2 páginas l 2 páginas para la cadena origen l 2 páginas para el destino n Esquemas principales de asignación l Asignación fija l Asignación por prioridad Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 31 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Asignación Fija n Asignación equitativa – Por ejemplo, si hay 100 marcos y 5 procesos, se le da a cada proceso 20 marcos n Asignación proporcional – Asigna marcos de acuerdo al tamaño del proceso Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 32 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Asignación por Prioridad n Usa un esquema de asignación proporcional basado en las prioridades en lugar del tamaño n Si el proceso Pi produce un fallo de páginas, l Escoge para reemplazar uno de sus marcos l Escoge para reemplazar un marco de un proceso con menor prioridad Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 33 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Asignación Local y Global n Reemplazo global – se escoge para reemplazar un marco de cualquier proceso; un proceso puede tomar un marco de otro n Reemplazo local – se escoge para reemplazar un marco del proceso que necesita la página Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 34 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Hiperpaginación n Si un proceso no tiene suficientes páginas, la tasa de fallos de página es muy alta. Esto lleva a: l Uso bajo de CPU l El SO piensa que necesita aumentar el grado de multiprogramación l Otro proceso se añade al sistema n Hiperpaginación un proceso está ocupado trayendo y retirando páginas de memoria Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 35 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Paginación por Demanda e Hiperpaginación n n Por qué funciona la paginación por demanda? Modelo de localidad l Los procesos migran de una localidad a otra l Las localidades pueden solaparse Por qué ocurre la hiperpaginación? tamaño de la localidad > tamaño de la memoria Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 37 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Modelo de Conjunto de Trabajo n ventana del conjunto de trabajo un número fijo de referencias a páginas Ejemplo: 10. 000 instrucciones n WSSi (conjunto de trabajo del proceso Pi) = número total de páginas referenciadas en la ventana más reciente (cambia con el tiempo) l Si es demasiado pequeño no abarcará toda la localidad l Si es demasiado grande abarcará varias localidades l Si = abarcará el programa entero n D = WSSi total de marcos requeridos n Si D > m Hiperpaginación n Política si D > m, se suspende un proceso Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 39 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Siguiendo la Pista al Conjunto de Trabajo n Se aproxima con un temporizador y un bit de referencia n Ejemplo: = 10. 000 l El temporizador interrumpe cada 5000 unidades de tiempo l Se mantienen en memoria 2 bits por página l Cuando el temporizador interrumpe copia el bit de referencia y lo pone a 0 l Si uno de los bits en memoria es 1 la página está en el conjunto de trabajo n Mejora: 10 bits e interrumpir cada 1000 unidades de tiempo Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 41 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Frecuencia de Fallos de Página n Es otra forma de evitar la hiperpaginación n Se busca conseguir una tasa de fallos de página aceptable Si la tasa actual es demasiado baja, el proceso pierde un marco l Si la tasa actual es demasiado alta, el proceso gana un marco l Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 42 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Prepaginación n Prepaginación l Se usa para reducir el gran número de fallos de página que ocurre al comienzo de un proceso l Consiste en traer a memoria todas o algunas de las páginas que necesitará un proceso antes de que las referencie l La páginas prepaginadas pueden no ser utilizadas, hay gasto de memoria y E/S l Asumimos que s páginas son prepaginadas y una fracción α de esas páginas son usadas 4 Es el coste de los s * α fallos de página ahorrados > o < que el coste de prepaginar s * (1 - α) páginas innecesarias? 4 Si α es cercano a cero la prepaginación no interesa Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 43 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Tamaño de las Páginas n Para la selección del tamaño de página hay que tener en cuenta: l La fragmentación interna l El tamaño de la tabla de páginas l La sobrecarga de E/S l La localidad Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 44 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Estructura del Programa n Estructura del Programa l int data[128]; Cada fila se almacena en una página l Programa 1 for (j = 0; j <128; j++) for (i = 0; i < 128; i++) data[i][j] = 0; l 128 x 128 = 16, 384 fallos de página l Programa 2 for (i = 0; i < 128; i++) for (j = 0; j < 128; j++) data[i][j] = 0; 128 fallos de página Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 45 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Interbloqueo de E/S n Interbloqueo de E/S – A veces las páginas deben bloquearse en memoria n Las páginas que se están usando para copiar un fichero de un dispositivo deben bloquearse para que no sean escogidas por un algoritmo de reemplazo de páginas Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 46 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Windows XP n Usa paginación por demanda con agrupamiento (clustering). El clustering trae a memoria páginas adyacentes a la página que falló n A los procesos se les asigna un conjunto de trabajo mínimo y máximo n El conjunto de trabajo mínimo es el mínimo número de páginas del proceso que van a estar con seguridad en memoria n A un proceso se le pueden asignar páginas hasta que llegue a su conjunto de trabajo máximo n Cuando la cantidad de memoria libre en el sistema cae por debajo de un umbral, se hace un recorte automático del conjunto de trabajo para restaurar la cantidad de memoria libre n El recorte del conjunto de trabajo retira páginas de los procesos que tienen un número de páginas mayor que el mínimo Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 47 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Solaris n Mantiene una lista de marcos libres para asignar a los procesos que fallan n Lotsfree – umbral (cantidad de memoria libre) para comenzar la paginación n Desfree – umbral para incrementar la paginación n Minfree – umbral para comenzar el intercambio n La paginación la realiza el proceso pageout n Pageout escanea las páginas usando una variante del algoritmo de reloj (algoritmo de reloj modificado) n Scanrate es la tasa a la que las páginas son escaneadas. Este valor va entre slowscan y fastscan n Pageout se llama más frecuentemente dependiendo de la cantidad de memoria libre Fundamentos de los Computadores (ITT, Sist. Electr. ), 2005 -2006 Tema 10. 4: 48 Silberschatz, Galvin and Gagne © 2005

Fin del Tema 10