Hệ điều hành - Bộ nhớ ảo

Nội dung text: Hệ điều hành - Bộ nhớ ảo

1. HỆ ĐIỀU HÀHH Bộ nhớ ảo
2. 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) cĩ thể swap-in, swap-out. – Một tiến trình được phân ra thành một số phần (trang hoặc đoạn) và khơng nhất thiết phải nằm liên tục nhau  Nếu hai tính chất trên được bảo đảm thì khơng nhất thiết tất cả các trang hoặc phân đoạn phải nằm trong bộ nhớ chính lúc thi hành.  Ưu điểm: – Cĩ nhiều tiến trình trong bộ nhớ hơn -> giải thuật lập lịch sẽ tối ưu hơn -> nâng cao mức độ đa chương – Một tiến trình cĩ thể lớn hơn kích thước của bộ nhớ chính -9.2-
3. Nguyên lý cục bộ  Các thao tác truy cập vùng nhớ cĩ khuynh hướng cụm lại (cluster).  Sau một khoảng thời gian đủ dài, cụm này cĩ thể sẽ thay đổi, nhưng trong một khoảng thời gian ngắn, bộ xử lý chủ yếu chỉ làm việc trên một số cụm nhất định -9.3-
4. Nguyên lý cục bộ  Các câu lệnh cơ bản chủ yếu là tuần tự (thi hành từ trên xuống dưới). Câu lệnh khơng tuần tự là câu lệnh rẽ nhánh (câu lệnh điều kiện) thường chiếm tỉ lệ khá ít.  Trong một khoảng thời gian ngắn, các chỉ thị thơng thường nằm trong một số hàm, thủ tục nhất định.  Hầu hết các câu lệnh lặp chứa một số ít các chỉ thị và lặp lại nhiều lần. Do đĩ trong suốt thời gian lặp, việc tính tốn hầu như chỉ diễn ra trong một vùng nhỏ liên tục của chương trình.  Khi truy cập vào một cấu trúc dữ liệu trước đĩ, thơng thường các câu lệnh đặt liền nhau sẽ truy cập đến các thành phần khác nhau của cùng một cấu trúc dữ liệu -9.4-
5. Các vấn đề liên quan đến bộ nhớ ảo  Cần cĩ sự hỗ trợ phần cứng về kiến trúc phân trang và phân đoạn  Cần cĩ thuật tốn hiệu quả để quản lý việc chuyển đổi các trang, phân đoạn từ bộ nhớ chính vào bộ nhớ phụ và ngược lại – Nguyên lý cục bộ – Đĩa cứng hoạt động theo khối – Dự đốn được các trang và phân đoạn dựa vào lịch sử truy xuất vùng nhớ trước đĩ. -9.5-
6. Các vấn đề liên quan đến bộ nhớ ảo  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? -9.6-
7. 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 cĩ yêu cầu.  Khi cĩ yêu cầu về một trang nào đĩ, cần cĩ cơ chế cho biết trang đĩ đang ở trên đĩ hoặc ở trong bộ nhớ – Sử dụng bit valid/invalid – Valid: cĩ trong bộ nhớ chính – Invalid: trang khơng hợp lệ hoặc trang đang nằm trong bộ nhớ phụ -9.7-
8. 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 (khơng 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 vào nhớ chính  Giảm số lần thao tác bằng bit cập nhập (dirty bit) – Bit cập nhật = 1: nội dung trang đã bị thay đổi -> cần lưu lại trên đĩa – Bit cập nhật = 0: nội dung trang khơng bị thay đổi -> khơng cần lưu lại trên đĩa -9.8-
9. Thuật tốn 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 tốn: – FIFO – Tối ưu – LRU – Xấp xỉ LRU -9.9-
10. FIFO  Ý tưởng: – Ghi nhận thời điểm một trang được đưa vào bộ nhớ – Thay thế trang ở trong bộ nhớ lâu nhất  Cĩ thể khơng cần ghi nhận thời điểm đưa mộ trang vào bộ nhớ. Sử dụng danh sách trang theo kiểu FIFO -> trang thay thế luơn là trang đầu  Dễ hiểu, dễ cài đặt, nhưng khơng lơgic trong trường hợp những trang đầu tiên được nạp vào thường những trang quan trọng, chứa dữ liệu truy xuất thường xuyên -> chuyển nĩ 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. -9.10-
11. FIFO 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5 1 1 1 4 4 5 5 5 5 5 Bộ nhớ 4 5 9 page fault thực có 3 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 frame 3 3 3 2 2 2 2 2 4 4 1 1 1 1 1 5 5 5 4 Bộ nhớ 1 5 4 10á page thực có 4 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 5 fault frame 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 3 3 3 -9.11-
12. Thuật tốn tối ưu  Ý tưởng: – Thay thế trang sẽ được lâu sử dụng nhất trong tương lai.  Khơng khả thi về mặt thực tế – Làm sao dự đốn được chuỗi các trang truy xuất trong tương lai. 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5 Thời 10 11 điểm t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Bộ nhớ 7 page fault thực có 3 2 2 2 2 2 2 2 2 3 4 4 frame 3 4 4 4 5 5 5 5 5 5 -9.12-
13. Thuật tốn “Lâu nhất chưa sử dụng” (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 đốn tương lai – FIFO: thời điểm nạp vào – Tối ưu: thời điểm sẽ truy cập  LRU địi hỏi phần cứng hỗ trợ khá nhiều – Biến bộ đếm – Stack -9.13-
14. Thuật tốn “Lâu nhất chưa sử dụng” (Least-recently-used LRU) Thời 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 điểm t Chuỗi tham khảo 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5 Bộ nhớ 1 1 1 4 4 4 5 5 5 3 3 5 thực có 3 2 2 1 1 1 1 1 1 4 4 frame 2 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 -9.14-
15. Thuật tốn “Lâu nhất chưa sử dụng” (Least-recently-used LRU)  Các cách cài đặt: – Sử dụng bộ đếm – Mỗi phần tử trong bảng trang cĩ một thành phần ghi nhận thời điểm truy xuất mới nhất. – CPU cĩ một bộ đếm, tăng khi cĩ một truy xuất đến bộ nhớ – Cập nhật thời điểm theo bộ đếm – Trang cĩ thời điểm truy xuất nhỏ nhất sẽ bị thay thế  Sử dụng stack – Lưu các số hiệu trang – Khi một trang được truy xuất -> chuyển số hiệu trang lên đầu stack – Thay thế trang cĩ số hiệu ở đáy stack -9.15-
16. Thuật tốn xấp xỉ LRU  Cĩ 3 thuật tốn – 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 – Cĩ truy xuất -> 1 – Sau mỗi chu kỳ qui định trước, kiểm tra bit này và gán nĩ trở lại là 0. – Biết được trang nào đã được truy xuất gần đây nhưng khơng biết được thứ tự truy xuất. -9.16-
17. Thuật tốn nhiều bit tham khảo  Ý tưởng: – 1 bit tham khảo chỉ biết được thơng tin của 1 chu kỳ – Nhiều bit tham khảo sẽ biết được thơng tin của nhiều chu kỳ.  Sử dụng thêm 8 bit tham khảo cho mỗi phần tử trong bảng trang  Sau một chu kỳ, một ngắt được phát sinh, HĐH sẽ đặt bit tham khảo của trang đĩ (0 hoặc 1) vào bit cao nhất trong 8 bit, loại bỏ bit cuối cùng (thấp nhất)  8 bit sẽ lưu trữ tình hình truy xuất đến trang trong 8 chu kỳ gần nhất  10001000 sẽ tốt hơn 01111111  Nếu xem là số nguyên khơng dấu thì trang được thay thế là trang cĩ số tương ứng nhỏ nhất. -9.17-
18. Thuật tốn cơ hội thứ hai  Ý tưởng: – Sử dụng một một bit tham khảo duy nhất – Ý tưởng như FIFO cĩ cải tiến . Nếu bit tham khảo = 0 -> thay thế trang . Ngược lại, cho trang này cơ hội thứ hai đặt bit tham khảo về 0, chọn trang FIFO kế tiếp. Trang được cho cơ hội thứ hai đặt vào cuối hàng đợi.  Một trang đã được cho cơ hội thứ hai sẽ khơng bị thay thế trước khi các trang cịn lại bị thay thế  Cĩ thể cài đặt bằng một xâu vịng (danh sách liên kết vịng). -9.18-
19. BT 1. Tìm số page fault tương ứng khi sử dụng OPT, FIFO, LRU để thay thế trang với chuỗi tham khảo 2, 3 ,2, 1, 5, 2, 4, 5, 3, 2, 5, 2 & frame=3. -9.19-