Betriebssysteme (BTS)

Transkript

1 .Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Christian Baun Hochschule Mannheim Fakultät für Informatik Institut für Betriebssysteme..007

2 Organisatorisches zur Übung Verteilung auf die beiden Übungsstermine: Donnerstag Zeit: :0 - :0 Uhr Ort: Raum 0008 Freitag Zeit: 9: - : Uhr Ort: Raum 0008.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

3 Wiederholung vom letzten Mal Betriebssystemaufbau (Monolithisch, Mikrokernel, Hybridkernel) Logischen Strukturierung von Betriebssystem mit Schalen Von-Neumann-Architektur Hauptprozessor (CPU) Busse Speicher (Register, Cache, Hauptspeicher, Festplatten) Speicherpyramide Arbeitsweise der Speicherhierarchie Lokalitätsausnutzung (zeitliche und räumliche Lokalität) Cache-Anfragen (Cache-Hit und Cache-Miss).Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

4 Heute Cache-Datenverwaltung (Ersetzungsstrategien) Cache-Schreibstrategien Write-Back Write-Through Logischer Aufbau von Festplatten Spuren, Sektoren, Zylinder, Cluster.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

5 Grundlagen zum Speicher und Speicherverwaltung Bislang haben wir bzgl. Speicher geklärt: Der Speicher nimmt Daten und die auszuführenden Programme auf. Der Speicher bildet eine Hierarchie (= Speicherpyramide). Der Grund für die Speicher-Hierarchie liegt im Preis/Leistungsverhältnis. Je schneller ein Speicher ist, desto teurer und knapper ist er. Beim ersten Zugriff auf ein Datenelement, wird eine Kopie erzeugt, die entlang der Speicherhierarchie nach oben wandert. Da die obersten Speicherebenen praktisch immer voll belegt sind, müssen Daten verdrängt werden, um Platz zu schaffen. Wird ein Datenelement im Speicher verändert, müssen die Änderungen nach unten durchgereicht (zurückgeschrieben) werden. Es ist zu klären: Wie wird der Speicher angesprochen und wie funktioniert die Speicherverwaltung (Scheduling und Swapping)?.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

6 Cache-Datenverwaltung Ersetzungsstrategien Es ist sinnvoll, immer nur die Datenblöcke im Cache zu halten, auf die häufig zugegriffen wird. Gängige Ersetzungsstrategien sind neben der Größe auch der Zeitpunkt des letzten Aufrufs. Einige der wichtigsten Ersetzungsstrategien sind: OPT (Optimale Strategie) LRU (Least Recently Used) LFU (Least Frequently Used) FIFO (First In First Out) TTL (Time To Live) Random WS (Working Set) Climb.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 6

7 Optimale Strategie (OPT) Die Ersetzungsstrategie Optimal verdrängt den Datenblock aus dem Speicher, der am längsten nicht gebraucht, also auf den am längsten in der Zukunft nicht zugegriffen wird. Diese Strategie ist nur anwendbar, wenn der komplette Programmablauf, also die zukünftige Verwendung der Datenblöcke im Speicher im voraus bekannt ist. Die optimale Strategie ist leider utopisch und nicht zu implementieren! Da niemand in die Zukunft sehen kann, müssen wir die Vergangenheit berücksichtigen. Die optimale Strategie hat durchaus ihre Berechtigung, um die Effizienz anderer Ersetzungsstrategien mit ihr zu vergleichen..vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 7

8 Prinzip der optimalen Strategie Cache-Anfrage: Hauptspeicher. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock: Festplatte. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock: 7 Fehler.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 8

9 Least Recently Used (LRU) Least Recently Used ist eine der häufigsten Ersetzungsstrategien. Es wird immer der Datenblock aus dem Cache verdrängt, auf den am längsten nicht mehr zugegriffen wurde. Alle Datenblöcke im Cache werden in einer Warteschlange eingereiht. Ist der Cache voll und es kommt zu einem Cache-Miss, muss ein Datenblock aus dem Cache entfernt (ausgelagert) werden. Ausgelagert wird immer der Datenblock am Anfang der Warteschlange. Wird ein Datenblock in den Cache geschrieben oder referenziert, wird er am Ende der Warteschlange eingereiht. Vorteil: Einfach zu implementieren, liefert sehr gute Resultate und verursacht wenig Overhead. Nachteil: Es wird nicht berücksichtigt, wie oft auf einen Datenblock zugegriffen wurde..vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 9

10 Prinzip von Least Recently Used (LRU) Warteschlange Ende A E G X B A E G C B A E D E F G E wird referenziert Cache-Hit C D F G G wird referenziert Cache-Hit B C D F X wird referenziert Cache-Miss (H wird verdrängt) A B C D Anfang H H H F.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 0

11 Beispiel für Least Recently Used (LRU) Cache-Anfrage: Hauptspeicher. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock: Festplatte. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock: Fehler.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

12 Least Frequently Used (LFU) Es wird der Datenblock wird aus dem Cache verdrängt, auf den am wenigsten zugegriffen wurde. Für jeden Datenblock im Cache wird ein Referenzzähler geführt, der die Anzahl der Zugriffe speichert. Jeder Zugriff erhöht den Referenzzähler. Ist der Cache voll und es kommt zu einem Cache-Miss, wird der Datenblock aus dem Cache entfernt (ausgelagert), auf den am wenigsten zugegriffen wurde bzw. desses Referenzzähler den geringsten Wert hat. Vorteil: Relativ einfach zu implementieren und berücksichtigt die Zugriffshäufigkeit eines Datenblocks. Nachteil: Datenblöcke, auf die in der Vergangenheit häufig zugegriffen wurde, können den Cache blockieren..vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

13 Prinzip von Least Frequently Used (LFU) Cache A A A 6 A 6 B B B B C 7 C 7 C 7 C 7 D E F G E wird referenziert Cache-Hit D E F G A wird referenziert Cache-Hit D E F G X wird referenziert Cache-Miss (G wird verdrängt) D E F X H 8 H 8 H 8 H 8.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

14 First In First Out (FIFO) Bei der Ersetzungsstrategie First In First Out wird immer derjenige Datenblock aus dem Cache verdrängt, der sich am längsten im Speicher befindet. Die Ersetzungsstrategie FIFO zeigt ein sehr ungünstiges Verhalten. Nur weil auf einen Datenblock länger nicht mehr zugegriffen wurde, heißt das nicht, dass er nin naher Zukunft nicht mehr verwendet wird. Laszlo Belady zeigte 969 in seiner Anomalie, dass unter sehr ungünstigen Umständen FIFO bei einem größeren Speicher sogar zu mehr Zugriffsfehlern (Miss) führt, als bei einem kleinen Speicher (Belady s Anomalie). Ursprünglich ging man davon aus, dass eine Vergößerung des Speichers immer zu weniger oder schlechtestenfalls gleich vielen Zugriffsfehlern führt. Bis zur Entdeckung von Belady s Anomalie hielt man FIFO für eine gute Ersetzungsstrategie..Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

15 Belady s Anomalie (969) Cache-Anfrage:. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock: 9 Fehler. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock:. Datenblock: 0 Fehler.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

16 Weitere Ersetzungsstrategien TTL (Time To Live): Jedem Datenblock wird bei der Erzeugung eine Lebenszeit zugeordnet. Ist diese überschritten, kann der Datenblock aus dem Cache verdrängt werden. Random: Ein zufälliger Datenblock wird aus dem Cache verdrängt. WS (Working Set): Alle Datenblöcke, die in einem bestimmten Zeitfenster von einem Prozess verwendet wurden, das sogenannte Working Set, werden verdrängt. Climb: Datenblöcke werden immer hinten an den Cache angehängt. Bei jedem Zugriff auf einen Datenblock, steigt dieser eine Ebene nach oben. Muss ein Datenblock verdrängt werden, wird der letzte verdrängt..vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 6

17 Cache-Schreibstrategien () Für Schreibzugriffe auf den Cache gibt es zwei Möglichkeiten: Write-Back: Schreibzugriffe werden nicht direkt an die tieferen Speicherebene weitergegeben. Dadurch kommt es zu Inkonsistenzen zwischen den Daten im Cache und auf dem zu cachenden Speicher. Die Daten werden erst zurückgeschrieben, wenn der betreffende Datenblock aus dem Cache verdrängt wird. = Zurückschreiben Vorteil: Höhere System-Geschwindigkeit. Nachteil: Daten können beim Systemausfall verloren gehen. Write-Through: Schreibzugriffe werden sofort an die tieferen Speicherebene weitergegeben. = Durchschreiben Vorteil: Datenkonsistenz ist gesichert. Nachteil: Geringere System-Geschwindigkeit..Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 7

18 Cache-Schreibstrategien () Wenn Änderungen in einem Datenblock zurückgeschrieben werden, dann müssen die Kopien des Datenblocks auf allen Ebenen auf den aktuellen Stand gebracht werden, um Inkonsistenzen zwischen den verschiendenen Ebenen zu vermeiden. Die Änderungen können nicht direkt auf die unterste Ebene (zum Original) durchgereicht werden! Schicht Kopie Schicht n- Kopie Schicht n- Kopie Schicht n Original.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 8

19 Festplatten () Festplatten sind ca. Faktor 00 preisgünstiger pro Bit als Hauptspeicher und bieten ca. Faktor 00 mehr Kapazität. Nachteilig ist, dass Zugriffe auf Festplatten um ca. Faktor 000 langsamer sind. Grund für die geringere Zugriffsgeschwindigkeit ist, dass Festplatten mechanische Geräte sind, die eine oder mehrere mit 00, 00, 700, 0800 oder 000 Umdrehungen pro Minute rotierende Scheiben enthalten. Für jede Seite jeder Platte existiert ein Schwungarm mit einem Schreib-/Lesekopf, der Bereiche der Scheibenoberfläche unterschiedlich magnetisiert und so die Daten auf die Festplatte schreibt bzw. von ihr liest. Zwischen Platte und Kopf ist ein Luftpolster von ca 0 Nanometern. Auch Festplatten haben einen Cache, der Schreib- und Lesezugriffe auf den Datenträger puffert. Der Festplattencache befindet sich auf der Steuerplatine und ist zwischen und MB groß..vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 9

20 Logischer Aufbau von Festplatten () Die Magnetisierung der Scheiben wird auf kreisförmigen, konzentrischen Spuren (tracks) von den Köpfen auf beiden Seiten aufgetragen. Alle gleichen, also übereinander befindlichen Spuren der einzelnen Plattenoberflächen bezeichnet man als Zylinder (cylinder). Die Spuren werden in kleine logische Einheiten (Kreissegmente) unterteilt, die man Blöcke oder Sektoren nennt. Typischerweise enthält ein Block Byte Nutzdaten. Blöcke sind die kleinsten adressierbaren Einheiten auf Festplatten. Müssen Daten in einem Block geändert werden, muss der ganze Block gelesen und neu geschrieben werden. Heute werden auf Softwareseite Cluster angesprochen. Dabei handelt es sich um Verbünde von Blöcken mit fester Größe, z.b. oder 8 KB. Die Cluster sind sinnvollerweise physisch benachbart. Bei modernen Betriebssystemen sind Cluster die kleinste Zuordnungseinheit..Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie 0

21 Logischer Aufbau von Festplatten () Alle Spuren auf allen Platten bei einer Position des Schwungarms bilden einen Zylinder. Spur Block Kopf 0 Kopf Kopf Kopf Kopf Kopf Zylinder.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

22 Logischer Aufbau von Festplatten ().Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie

23 Nächste Vorlesung:..007.Vorlesung Betriebssysteme (BTS) Hochschule Mannheim Folie