Bài giảng Hệ điều hành - Chương 4: Bộ nhớ ảo - Lương Minh Huấn

Nội dung text: Bài giảng Hệ điều hành - Chương 4: Bộ nhớ ảo - Lương Minh Huấn

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN CHƯƠNG 4: BỘ NHỚ ẢO GV: LƯƠNG MINH HUẤN
2. NỘI DUNG I. Các khái niệm II. Phân trang theo yêu cầu III. Thay thế trang IV.Cấp phát khung trang V. Trì trệ toàn hệ thống
3. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Bộ nhớ ảo là một kỹ thuật cho phép một không gian địa chỉ logic lớn có thể được ánh xạ vào một bộ nhớ vật lý nhỏ hơn. ➢Bộ nhớ ảo có thể được triển khai bằng cách phân trang hoặc phân đoạn, hiện tại phân trang thông dụng hơn. ➢Bộ nhớ ảo cho phép chạy những tiến trình cực lớn và cũng cho phép gia tăng mức độ đa chương được, tăng hiệu suất sử dụng CPU. Ngoài ra, nó giải phóng người lập trình ứng dụng khỏi việc lo lắng về khả năng sẵn có của bộ nhớ.
4. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Ý tưởng: ➢Hai đặc trưng quan trọng của kiến trúc phân đoạn và phân trang: ▪ Mọi sự truy xuất vùng nhớ của một tiến trình đều được chuyển đổi địa chỉ lúc thi hành (run-time) => có thể swap-in, swap-out. ▪ Một tiến trình được phân ra thành một số phần (trang hoặc đoạn) và không nhất thiết phải nằm liên tục nhau. ➢Nếu hai tính chất trên được bảo đảm thì không nhất thiết tất cả các trang hoặc phân đoạn phải nằm trong bộ nhớ chính lúc thi hành.
5. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Ưu điểm của bộ nhớ ảo: ▪ Số lượng process trong bộ nhớ nhiều hơn. ▪ Một process có thể được thực thi ngay cả khi kích thước của nó lớn hơn kích thước bộ nhớ. ▪ Bộ nhớ tham chiếu một địa chỉ logic gọi là bộ nhớ ảo (virtual memory). • Bao gồm bộ nhớ thực + phần thứ cấp (đĩa cứng, ). • Thông thường, phần bộ nhớ ảo được lưu ở vùng không gian đặc biệt gọi là swap space. ▪ Việc chuyển đổi địa chỉ có sự hổ trợ của phần cứng.
6. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Yêu cầu đối với bộ nhớ ảo ➢Phần cứng memory management phải hổ trợ phân trang và phân đoạn. ➢OS phải quản lý sự di chuyển của trang/ đoạn từ bộ nhớ chính sang bộ nhớ ảo (bộ nhớ thứ cấp).
7. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Vấn đề kết hợp phân trang và phân đoạn ➢Nhằm kết hợp ưu điểm và giảm bớt khuyết điểm của 2 mô hình phân trang và phân đoạn. Người ta đưa ra một số mô hình kết hợp như: ▪ Mỗi process sẽ có: • Một bảng phân đoạn • Nhiều bảng phân trang: mỗi phân đoạn có một bảng phân trang.
8. I. CÁC KHÁI NIỆM ▪ Một địa logic (địa chỉ ảo) bao gồm: • Segment number: là chỉ mục của phần tử trong bảng phân đoạn, các phần tử này chứa địa chỉ cơ sở của bảng phân trang trong phân đoạn đó. • Page number: là chỉ mục trong bảng phân trang, dung để tính chỉ số frame trong bộ nhớ thực tương ứng. • Offset: dung để định vị vị trí nhớ trong frame.
9. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Sơ đồ chuyển đổi địa chỉ
10. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Quản lý việc chuyển đổi giữa vùng nhớ chính và vùng nhớ phụ: ➢Các chính sách cần xét: ▪ Chính sách nạp(fetch policy): khi nào thì một trang được nạp vào bộ nhớ? ▪ Chính sách đặt(placement policy): trang hoặc phân đoạn sẽ được đặt ở đâu trong bộ nhớ chính? ▪ Chính sách thay thế(replacement policy): chọn trang nào đưa ra khỏi bộ nhớ phụ khi cần nạp một trang mới vào bộ nhớ chính?
11. I. CÁC KHÁI NIỆM ➢Cài đặt bộ nhớ ảo: ▪ Kỹ thuật phân trang theo yêu cầu (demand paging) ▪ Kỹ thuật phân đoạn theo yêu cầu (demand segmentation) • Khó vì kích thước không đồng nhất
12. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU ➢Phân trang theo yêu cầu = Phân trang + swapping ➢Tiến trình là một tập các trang thường trú trên bộ nhớ phụ. ➢Một trang chỉ được nạp vào bộ nhớ chính khi có yêu cầu. ➢Khi có yêu cầu về một trang nào đó, cần có cơ chế cho biết trang đó đang ở trên đó hoặc ở trong bộ nhớ ▪ Sử dụng bit valid/invalid ▪ Valid: có trong bộ nhớ chính ▪ Invalid: trang không hợp lệ hoặc trang đang nằm trong bộ nhớ phụ
13. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU ➢Cơ chế phần cứng ➢Bảng trang ▪ Phải phản ánh được một trang đang nằm trong bộ nhớ chính hay bộ nhớ phụ và tương ứng đang nằm ở vị trí nào (trong bộ nhớ chính hoặc bộ nhớ phụ) ➢Bộ nhớ phụ ▪ Dùng một không gian trên đĩa cứng thường gọi là không gian swapping.
14. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU
15. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU ➢Vấn đề lỗi trang ➢Truy xuất đến một trang được đánh dấu bất hợp lệ sẽ làm phát sinh một lỗi trang(page fault). ➢Khi dò tìm trong bảng trang để lấy các thông tin cần thiết cho việc chuyển đổi địa chỉ, nếu nhận thấy trang đang được yêu cầu truy xuất là bất hợp lệ, cơ chế phần cứng sẽ phát sinh một ngắt để báo cho hệ điều hành.
16. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU
17. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU ➢Xử lý lỗi trang 1. Kiểm tra trang được truy xuất có hợp lệ hay không? 2. Nếu truy xuất không hợp lệ => kết thúc. Ngược lại => bước 3. 3. Tìm vị trí chứa trang muốn truy xuất trên đĩa cứng. 4. Tìm một khung trang trống trên bộ nhớ chính a)Nếu tìm thấy => bước 5 b)Nếu không tìm thấy khung trang trống, tìm một khung trang “nạn nhân” và chuyển nó ra bộ nhớ phụ, cập nhật bảng trang.
18. II. KỸ THUẬT PHÂN TRANG THEO YÊU CẦU 6. Chuyển trang muốn truy xuất từ bộ nhớ phụ vào bộ nhớ chính, cập nhật bảng trang, bảng khung trang. 7. Tái kích hoạt tiến trình tại chỉ thị truy xuất đến trang.
19. III. THAY THẾ TRANG ➢Là cơ chế thay thế một trang đang nằm trong bộ nhớ nhưng chưa cần sử dụng bằng một trang đang nằm trong đĩa (không gian swapping) đang được yêu cầu. ➢Hai thao tác: ▪ Chuyển trang từ bộ nhớ chính ra bộ nhớ phụ. ▪ Mang trang từ bộ nhớ phụ vào bộ nhớ chính ➢Giảm số lần thao tác bằng bit cập nhập (dirtybit) ▪ Bit cập nhật=1: nội dung trang đã bị thay đổi => cần lưu lại trên đĩa ▪ Bit cập nhật=0: nội dung trang không bị thay đổi => không cần lưu lại trên đĩa
20. III. THAY THẾ TRANG
21. III. THAY THẾ TRANG ➢Thuật toán thay thế trang ➢Ý tưởng chính: ▪ Chọn trang nạn nhân là trang mà sau khi thay thế sẽ gây ra ít lỗi trang nhất. ➢Các thuật toán: ▪ FIFO ▪ Tối ưu (ít sử dụng nhất trong tương lai) ▪ LRU (trang lâu nhất chưa được truy xuất) ▪ Xấp xỉ LRU
22. THUẬT TOÁN FIFO ➢Ý tưởng: ▪ Ghi nhận thời điểm một trang được đưa vào bộ nhớ ▪ Thay thế trang ở trong bộ nhớ lâu nhất ➢Có thể không cần ghi nhận thời điểm đưa một trang vào bộ nhớ. Sử dụng danh sách trang theo kiểu FIFO => trang thay thế luôn là trang đầu.
23. THUẬT TOÁN FIFO ➢Dễ hiểu, dễ cài đặt, nhưng không logic trong trường hợp những trang đầu tiên được nạp vào là những trang quan trọng, chứa dữ liệu truy xuất thường xuyên. => chuyển ra sẽ gây lỗi trang cho những lần truy xuất sau ➢Nghịch lý Belady: số lượng lỗi trang sẽ tăng lên nếu số lượng khung trang tăng lên.
24. THUẬT TOÁN FIFO
25. THUẬT TOÁN FIFO ➢Reference string: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 ➢3 frames (3 trang có thể đồng thời trong bộ nhớ tại mỗi thời điểm)
26. THUẬT TOÁN FIFO
27. THUẬT TOÁN TỐI ƯU ➢Ý tưởng: ▪ Thay thế trang sẽ được lâu sử dụng nhất trong tương lai. ➢Hoàn hảo về mặt ý tưởng nhưng không khả thi về mặt thực tế ▪ Làm sao dự đoán được chuỗi các trang truy xuất trong tương lai.
28. THUẬT TOÁN TỐI ƯU ➢Ví dụ:
29. THUẬT TOÁN Least-recently-used LRU ➢Ý tưởng: ▪ Ghi nhận thời điểm cuối cùng trang được truy cập ▪ Thay thế trang chưa được truy cập lâu nhất ➢Dùng quá khứ gần để dự đoán tương lai ▪ FIFO: thời điểm nạp vào ▪ Tối ưu: thời điểm sẽ truy cập
30. THUẬT TOÁN Least-recently-used LRU ➢Các cách cài đặt: ▪ Sử dụng bộ đếm • Mỗi phần tử trong bảng trang có một thành phần ghi nhận thời điểm truy xuất mới nhất. • CPU có một bộ đếm, tăng khi có một truy xuất đến bộ nhớ. • Cập nhật thời điểm theo bộ đếm. • Trang có thời điểm truy xuất nhỏ nhất sẽ bị thay thế.
31. THUẬT TOÁN Least-recently-used LRU ▪ Sử dụng stack • Lưu các số hiệu trang • Khi một trang được truy xuất => chuyển số hiệu trang lên đầu stack. • Thay thế trang có số hiệu ở đáy stack
32. THUẬT TOÁN Least-recently-used LRU ➢Ví dụ LRU: 1 process có 5 trang, truy cập cùng lúc 3 trang.
33. THUẬT TOÁN Least-recently-used LRU ➢So sánh LRU và FIFO
34. THUẬT TOÁN Least-recently-used LRU ➢LRU đòi hỏi phần cứng hỗ trợ khá nhiều ▪ Biến bộ đếm ▪ Stack ➢Tìm các thuật toán xấp xỉ LRU
35. THUẬT TOÁN XẤP XỈ LRU ➢Có 3 thuật toán ▪ Sử dụng nhiều bit tham khảo (reference bit) ▪ Cơ hội thứ hai ▪ Cơ hội thứ hai cải tiến ➢Ý tưởng chính: bit tham khảo được thêm vào mỗi phần tử trong bảng trang ▪ Ban đầu= 0 ▪ Có truy xuất => 1
36. THUẬT TOÁN XẤP XỈ LRU ➢Sau mỗi chu kỳ qui định trước, kiểm tra bit này và gán nó trở lại là 0. ➢Biết được trang nào đã được truy xuất gần đây nhưng không biết được thứ tự truy xuất.
37. IV. CẤP PHÁT KHUNG TRANG ➢Mỗi tiến trình sẽ được cấp phát bao nhiêu khung trang? ➢Các hướng tiếp cận: ▪ Cấp phát cố định: • Cấp phát công bằng • Cấp phát theo tỉ lệ ▪ Cấp phát theo độ ưu tiên
38. CẤP PHÁT CỐ ĐỊNH ➢ Mỗi tiến trình sẽ được cấp phát một số lượng khung trang cố định ngay từ đầu cho đến khi kết thúc thi hành. ➢ Có 2 hướng ▪ Cấp phát công bằng • m khung trang, n tiến trình => mỗi tiến trình m/n ▪ Cấp phát theo tỉ lệ • Si: kích thước bộ nhớ ảo của tiến trình i • S = sum(Si) • m khungtrang • Tiến trình i sẽ có: (Si/S)*m khung trang
39. CẤP PHÁT THEO ĐỘ ƯU TIÊN ➢Số khung trang dành cho mỗi tiến trình phụ thuộc vào độ ưu tiên của tiến trình tại thời điểm xác định. ➢Nếu tiến trình pi phát sinh lỗi trang, chọn một trong các khung trang của nó để thay thế hoặc một khung trang của các tiến trình có độ ưu tiên thấp hơn.
40. THAY THẾ TOÀN CỤC VÀ THAY THẾ NỘI BỘ ➢Thay thế toàn cục ▪ Trang “nạn nhân” có thể là bất cứ khung trang nào của hệ thống, không nhất thiết phải là khung trang của tiến trình đó. ➢Thay thế cục bộ ▪ Trang nạn nhân là một trong số khung trang của tiến trình đó. ➢Có vẻ thay thế toàn cục sẽ linh hoạt hơn nhưng có thể gây ra hiệu ứng trì trệ hệ thống (thrashing)
41. V. TRÌ TRỆ HỆ THỐNG ➢Sự trì trệ (thrashing) là hiện tượng tiến trình thường xuyên phát sinh lỗi trang và vì thế phải dùng rất nhiều thời gian sử dụng CPU để thực hiện việc thay thế trang => thời gian dành cho xử lý công việc còn rất ít => hệ thống gần như mất khả năng xử lý công việc. ➢Tốc độ phát sinh lỗi trang tăng rất cao, không công việc nào có thể kết thúc vì tất cả tiến trình đều bận rộn với việc thay thế trang => tình trạng trì trệ toàn bộ hệ thống. ➢Nguyên nhân là do tiến trình không có đủ các khung trang để chứa những trang cần thiết cho xử lý công việc.
42. V. TRÌ TRỆ HỆ THỐNG
43. GIẢI PHÁP ➢Để tránh tình trạng trì trệ toàn hệ thống mà vẫn duy trì được mức độ đa chương cao, cần phải có các giải pháp xác định và điều chỉnh mức độ cấp phát khung trang cho các tiến trình sao cho không thừa không thiếu. ➢Hai trong số các giải pháp đó là mô hình tập làm việc và kiểm soát tần suất lỗi trang.