Hausübung 5 (Musterlösung )

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1 SoSe 2014 Konzepte und Methoden der Systemsoftware Universität Paderborn Fachgebiet Rechnernetze Hausübung 5 (Musterlösung ) bis Hausübungsabgabe: Format: Lösungen in schriftlicher oder gedruckter Form abgeben. Quelltext wird digital abgegeben, siehe separate Beschreibung am Ende es Übungszettels. Ort: Lösung in markiertem Kasten in D3 Flur einwerfen. Uhrzeit: Annahme der Abgaben bis Montag, , 08:00 Uhr (s.t.) Gruppen: Geben Sie Ihre Namen, Matrikelnummern und ggf. IMT- -Addressen auf der Lösung an. Maximal 4 Personen pro Lösung. Eindeutig: Geben Sie höchstens eine Lösung zu einer Aufgabe ab. Aufgabe 1: Virtueller Speicher (a) (b) (c) (d) Kann es einen logischen Speicheradressraum ohne virtuellen Speicheradressraum geben? Erläutern Sie kurz. Ja, z.b. ohne Festplatte wird alles im Arbeitsspeicher gehalten. Allgemein im Sinne der Betriebsmittelverwaltung: Logische BM ermöglichen eine andersartige Einteilung und Nutzung. Virtuelle VM verbergen einen Mangel an Kapazität. Kann es einen virtuellen Speicheradressraum ohne logischen Speicheradressraum geben? Erläutern Sie kurz. Beispiel: Adressraum über Arbeitsspeicher und Festplatte verteilt. Praxis: Häufig benutzte Seiten im schnelleren Arbeitsspeicher, aber nicht möglich ohne logische Neuorganisation der Seiten. Antwort: Ja, z.b. bei Verzicht auf Geschwindigkeitsvorteil für häufig benutze Seiten. Nein, weil langsame Festplatte zur Auslagerung selten benutzter Seiten benutzt wird. In der Vorlesung haben Sie die Seitenverdrängungsstrategie Least Recently Used (LRU) kennengelernt. Beschreiben Sie diese kurz. Die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde, wird verdrängt. Füllen Sie die folgende Tabelle für die LRU Verdrängungstrategie aus. Hinweis: Markieren Sie Verdrängungen. Sie benötigen diese Information in einem späteren Aufgabenteil. (3 P.) Ersatz: KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 1/12

2 (e) Warum ist LRU typischerweise nicht in realen Systemen implementiert? Zu hoher Overhead die Seiten zu bestimmen, die am längsten nicht benutzt wurde. Stattdessen kommt in der Praxis eine Annäherung dieser Strategie zum Einsatz. In der Vorlesung haben Sie dazu den Second-Chance Algorithmus kennengelernt. (f) (g) Erläutern Sie kurz, welche Datenstrukturen der Second-Chance Algorithmus benötigt. Was muss sich der Algorithmus merken? Man benötigt ein Bit pro Kachel im Arbeitsspeicher (Referenzbit) und einen Zeiger für die zu letzt geprüfte Kachel. Beschreiben Sie kurz, wie der Second-Chance Algorithmus eine Kachel auswählt, deren Seite dann verdrängt wird? Um eine Kachel zur Verdrängung zu finden, werden hier die Kacheln zyklisch besucht. Wird eine Kachel zweimal besucht und hat in der Zeit kein Zugriff auf sie stattgefunden (lesend oder schreiben), so kann die Seite der Kachel verdrängt werden. Verschiedene Aspekte von Fairness können für eine Verdrängungsstrategie untersucht werden. (h) (i) Wie fair ist die Wahl für die zu verdrängende Seite? Ist eine faire Behandlung aller Seiten wichtig? Erläutern Sie kurz. Fairness ist hier unwichtig. Es gibt keinen Nachteil, wenn eine Seite häufiger verdrängt wird als die Andere. Wie fair ist die Wahl des Prozesses dessen Seite verdrängt wird? Ist eine faire Behandlung wichtig? Welche Faktoren spielen eine Rolle bei der Wahl des Prozesses? Erläutern Sie kurz. Nein, keine faire Behandlung. Der Algorithmus betrachtet die Seiten-Prozess Zuordnung nicht, also kann es auch keine faire Behandlung der Prozesse geben. Prozess-Scheduling (Welcher Prozess kommt wann dran hat Einfluss darauf, dass Prozess zugeordneten Seiten benutzt werden.) (3 P.) Vergleichen Sie nun den Second-Chance Algorithmus mit LRU. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 2/12

3 (j) Füllen Sie die folgende Tabelle für den Second-Chance Algorithmus aus. Anfangs ist der Zeiger auf Kachel 1. Markieren Sie nach jeder Verdrängung die Zeigerposition durch einen Kreis. Hinweis: Markieren Sie Verdrängungen. Sie benötigen diese Information in einem späteren Aufgabenteil. (3 P.) Ersatz: 1. Referenz 3 x Referenz 1 x Referenz 2 x Referenz 3 x (keine Zeigerbewegung) 5. Referenz x KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 3/12

4 6. Referenz x Referenz x Referenz x Referenz x Referenz x 0 2 (k) Die Anfragereihenfolge in den Tabellen für LRU und Second-Chance Algorithmus waren dieselben. 1. Geben Sie an, wie oft jeweils Seiten verdrängt wurden. 2. Was ist an diesen Ergebnissen ungewöhnlich. 3. Kann man aus den Ergebnissen auf den allgemeinen Fall schließen? Erläutern Sie kurz. 1. LRU: 4, Second-Chance: Second-Chance dürfte als Approximation von LRU höchstens so gut sein wie LRU. 3. Ein Beispiel ist nicht allgemein gültig. Angenommen, es ständen nun statt einem Referenzbit zwei Bits pro Kachel zur Verfügung. Erweitern Sie den Second-Chance Algorithmus so, dass er LRU besser approximiert. Die zwei Bits werden dazu als Zählvariable verwendet. (l) (m) (n) Wie werden die Bits initialisiert? Welches Ereignis stellt den Initialwert wieder her? Initialisiert mit 11. Initialwert wird bei Seitenzugriff wieder hergestellt. Was muss der Algorithmus tun, wenn die Bits 00 gefunden werden? Was passiert, wenn die Bits nicht 00 sind? Bei 00 wird die Seite verdrängt und der Zähler auf 11 gesetzt. Ansonsten dekrementiert. Ändert sich die mittlere Laufzeit des Algorithmus, bis eine Seite zum Verdrängen gefunden wird? Erläutern Sie kurz. (3 P.) KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 4/12

5 Ja, es dauert länger, da von 3 heruntergezählt wird anstelle von P. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 5/12

6 Aufgabe 2: Logischer Speicher Sie folgendes Speichersystem mit einer Seitentabelle gegeben: Es gibt 16 GiBit (Gibibit) [16 GiB (Gibibyte)] physikalischen Speicher; adressierbare Einheit ist ein Byte. Die 36 = a + b Bits der logischen Adresse sind aufgeteilt: a Seitennummerbits und b Offsetbits. Jeder Eintrag einer Seitentabelle besteht aus c Verwaltungsbits und d Kachelnummerbits. Bei Speicherallokationen eines Prozesses werden dem Prozess ganze Seiten zugewiesen. Übersteigt die Anforderung eine Seitengröße werden mehrere Seiten zugewiesen. Zur Bestimmung des Verschnitts betrachten Sie folgende Speicheranforderungen in Bytes: S = {4261,27311,12148,12165,3133,9140,27695,17551,10693, 9075,3601,22287,25122,8013,9334,6205,11960,2238,22497,809} Wie wirkt sich der Wert für a auf den internen Verschnitt und auf die Seitentabellengröße? (a) Wie viele Kachelnummerbits d sind minimal notwendig? Kachelgröße: 2 b = 2 36 a Bit 16 GiBit Anzahl Kacheln: = 231 = 2 a 5 ; Notwendige Bits: d = a 5 2 b 2 36 a 16 GiB Anzahl Kacheln: = 234 = 2 a 2 ; Notwendige Bits: d = a 2 2 b 2 36 a (b) Wie groß ist die Seitentabelle in Abhängigkeit von a? Seitentabelleneinträge: 2 a GiBit: Größe eines Eintrags: c + d = c + a 2 Insgesamt: 2 a (c + a 2) Bits = 2 a 3 (c + a 2) Bytes GiB: Größe eines Eintrags: c + d = c + a 5 Insgesamt: 2 a (c + a 5) Bits = 2 a 3 (c + a 5) Bytes (c) Angenommen jeder Anfrage s S wird mit neu zugewiesenen Seiten bedient; eine Seite wird höchstens für eine Anfrage verwendet. Wie groß ist der interne Verschnitt nach den Anfragen S in Abhängigkeit von a? Schreiben Sie eine allgemeine Formel für den internen Verschnitt auf. Geben Sie den internen Verschnitt absolut in Bytes an. Größe des belegten, aber nicht genutzten Speichers v int = Größe des belegten Speichers Sukzessive Betrachtung möglich da Seiten nicht doppelt benutzt werden: v int = s S 2 36 a (s mod 2 36 a ) 2 36 a (d) Stellen Sie in einem Plot die Seitentabellengröße und den internen Verschnitt (linke Y- Achse, rechte Y-Achse) für alle sinnvollen a Werte (X-Achse) gegenüber. Nehmen Sie an, dass Sie c = 3 Verwaltungsbits haben. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 6/12

7 1.0 1e Verschnitt Groesse Groesse a 0.0 (e) (f) Wie verändert sich die Seitentabellengröße und der interne Verschnitt, wenn für a immer größere Werte benutzt werden? Der Verschnitt verkleinert sich, da die Kacheln kleiner werden: 2 (36 a). Die Seitentabelle wird größer, da die Anzahl der Einträge steigt: 2 a. Woran liegt es, dass der interne Verschnitt so groß ist? Nenne Sie mindestens eine Ursache. 1. Eine komplette Kachel wird bei jeder, selbst der kleinsten Anforderung belegt. 2. Der berechnetet interne Verschnitt ist auch abhängig von S. (g) (h) Eine verbesserte Speicherverwaltung verwendet den noch unbelegten Speicher für weitere Anfragen. Um dies zu realisieren müssen für jede Anfrage e Management-Bits im Speicher abgelegt werden. Dafür kann eine Seite zur Bedienung mehrerer Anfragen wiederverwendet werden. Wie groß ist der interne Verschnitt nach den Anfragen S in Abhängigkeit von a? Schreiben Sie eine allgemeine Formel für den internen Verschnitt auf. Geben Sie den internen Verschnitt absolut in Bytes an. Jede Anfrage belegt nun s + e Byte Speicherplatz, hintereinander es gibt nur einen Verschnitt am Ende: v int = 236 a (s sum mod 2 36 a ) 2 36 a, s sum = e S + s S s Wie groß ist der interne Verschnitt maximal bei der verbesserten Speicherverwaltung? Geben Sie dazu auch den Worst Case an. Wird jetzt immer nur ein Byte angefragt, ist der Worst Case, dass die Reihen an Anfragen direkt hinter dem Anlegen einer neuen Kachel aufhört. Dies ergbit einen Verschnitt von Kachelgröße - 1. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 7/12

8 (i) Wie groß ist der externe Verschnitt in Abhängigkeit von a? Wenn möglich, geben Sie eine kürzest mögliche Reihenfolge an Speicheranforderungen an, die zu einem externen Verschnitt führen. Seiten-basierende Speichersysteme haben keinen externen Verschnitt. Stallings schlägt eine zweistufige Seitentabelle (36 = a 1 + a 2 + b, 0 < a 1,a 2,b < 36) vor: Es gibt 16 Gi (Gibibyte) physikalischen Speicher; adressierbare Einheit ist Byte. Logische Adresse besteht aus a 1 Nummerbits der Stufe 1 Seitentabelle, a 2 Nummerbits von Stufe 2 Seitentabelle und b Offsetbits. Alle Stufe 2 Seitentabellen liegen im Speicher hintereinander und sind durchnummeriert. Jeder Seiteneintrag der 1. Stufe enthält ein Präsenzbit und e Bits für die Referenz der Seitentabelle der Stufe 2. Jeder Seiteneintrag der 2. Stufe enthält c Verwaltungsbits und d Kachelnummerbits. Nehmen Sie zur Vereinfachung zunächst an, dass der Speicher vollständig belegt ist. (j) (k) Wie groß sind alle Seitentabellen der Stufe 2? Überlegen Sie, wie viele Seitentabellen der Stufe 2 es geben kann. #Seitentabellen: 2 e, Zeilen je Seite: 2 a 2, Byte pro Eintrag: (c + d)2 3 Seite-2 Gesamtspeicherplatz: 2 e+a 2 3 (c + d) = 2 a 1+a 2 3 (c + d) e = a1, weil nicht mehr Stufe 2 Seitentabellen referenziert werden können, als Einträge in Stufe 1 Seitentabelle vorhanden sind. Wie groß ist die Seitentabelle der Stufe 1? Überlegen Sie, wie viele Seitentabellen der 2. Stufe es geben kann. Byte pro Eintrag: (1 + e)2 3 #Seitentabellen-2: 2 a 1 Seite-1 Gesamtspeicherplatz: 2 a 1 3 (e + 1) = 2 a 1 3 (a 1 + 1) Nehmen Sie nun an, dass der Speicher nicht vollständig belegt ist. Sei 0 p 1 der Anteil der benutzten Seitentabellen der Stufe 2. Hinweis: Die Seitentabelle der Stufe 1 wird nach wie vor vollständig gespeichert. (l) (m) Wie groß ist der Speicherverbrauch aller Seitentabellen zusammen? 2 a 1 3 (a 1 + 1) + p2 a 1+a 2 3 (c + d) Bei welchem p ist der Speicherverbrauch geringer, wenn zweistufige Seitentabellen oder normale einstufige Seitentabellen eingesetzt werden? Idee: Break Even Point finden, Speicherverbrauch gleichsetzen. 2 a 1 3 (e + 1) + p2 e+a 2 3 (c + d) = 2 a 1+a 2 3 (c + d)... =... p < p BE : das zweistufige Verfahren ist besser. p BE = 2a 1 (e + 1) 2 a (d c) + 2 a 1 2 e+a 2 (d + c) = 2a 2 (d + c) a1 1 2 a 2 (d + c) = 1 a a 2 (c + d) KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 8/12

9 Ein Kommilitone schlägt vor, die Seitentabellegröße durch eine kompakte Speicherung der Informationen zu reduzieren: Statt für jede Seite einen eigenen Eintrag zu erzeugen, fasst man aufeinanderfolgende Seiten mit aufeinanderfolgenden Kacheln zusammen. Eine Seitentabelle hat nun folgenden Aufbau: Seitennr. (a Nummer der ersten Länge (b Bits) Bits) Kachel (b Bits) (n)... Beispieltabelle: Seiten 1 3 sind Kacheln zugeordnet, Seite 8 14 Kacheln 20 26, Seite Kacheln 4 7, usw. Geben Sie an welche Seitentabelleneinträge sich wie ändern, wenn Seite 16 von dem Prozess freigegeben wird? Dritte Zeile ändert sich auf: 15,4,1 Zusätzlich Zeile: 17,6,2 Seite 8 von dem Prozess freigegeben wird? Zeile 2 verändert: 9,21,6 Seite 3 von dem Prozess neu angefordert wird? Die Seite ist schon dem Prozess zugeordnet, nichts passiert. (3 P.) Wäre Seite 3 freigegeben worden, wäre die erste Zeile verändert (1,14,2) worden. (o) Vergleichen Sie den Speicherplatz dieses neuen kompakten Formats mit dem alten Format am obigen Beispiel: Wie groß ist der Speicherplatz der obigen drei Zeilen im kompakten Format in Abhängigkeit von a an. 3(a + 2b),b = 36 a Bits Wie groß ist der Speicherplatz für eine äquivalente Seitentabelle im alten Format in Abhängigkeit von a an. ( )(a + b),b = 36 a Bits (p) In welchem Worst Case sind im Mittel weniger Kacheln zusammengefasst? Bei hohem Grad an Fragmentierung der Kacheln. (q) Ihr Kommilitone behauptet, dass diese kompakte Speicherung in jedem Fall weniger Speicher verbraucht. Das glauben Sie aber nicht, weil dass bei einem Eintrag für eine einzige Kachel schon nicht sein kann. Berechnen Sie, wie viele Kacheln im Mittel mindestens zusammengefasst sein müssen, damit die kompakte Seitentabelle kleiner ist als die im alten Format. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 9/12

10 a + 2b < l(a + b) (1) a + 2b < l a + b a = 36 b (2) 36 + b < l 36 l N >0 (3) Im Mittel müssen (für b 31) 2 = l Kacheln zusammengefasst sein, damit die kompakte Seitentabelle kleiner ist. 29 P. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 10/12

11 Aufgabe 3: Dynamische Partitionierung Nehmen Sie an, zu einem Zeitpunkt t = 0 besitzt Ihr System die folgende Speicherbelegung: Angaben in kb. Grau hinterlegte Bereiche sind bereits belegt. Nehmen Sie an, zu t = 0 sind folgende Prozesse bereit, die nacheinander Speicher zugeteilt bekommen. Prozess Speicheranforderung Laufzeit (in Zeitschlitze) a 20 kb 10 b 30 kb 5 c 10 kb 20 d 30 kb 15 e 15 kb 15 f 50 kb 20 Ein Prozess gibt erst dann wieder Speicher frei, wenn er terminiert ist. Ein Prozess startet erst dann seine Berechnung, wenn ihn der gesamte angeforderte Speicher zugeteilt worden ist. Speicher kann nur am Stück zugeteilt werden. Es sind genügend Prozessoren vorhanden, um alle Prozesse parallel zu bearbeiten. Berechnen Sie für die nachfolgenden Strategien jeweils für jeden Prozess die Startadresse des zugeteilten Speichers sowie den Zeitpunkt, an dem der Prozess terminiert. (a) First-Fit Im Begleitmaterial liegt eine Excel-Datei zur Veranschaulichung. Prozess Laufzeit (Zeitschlitz) Startadresse (kb) a b c d e f (b) (c) Best-Fit Prozess Laufzeit Startadresse a b c d e f Worst-Fit KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 11/12

12 Prozess Laufzeit Startadresse a b c d e f oder Prozess Laufzeit Startadresse a b c d e f (d) Wieso ist es in dieser Situation nicht notwendig mit Mechanismen, wie beispielsweise dem Bankier-Algorithmus, zu überprüfen, ob eine bestimmte Belegungssituation sicher ist? Da die Prozesse jeweils nur ein BM anfordern, dass nicht teilbar zugeordnet wird (entweder alles auf einmal oder nichts), kann es nicht zu zirkulären Abhängigkeiten kommen. Somit ist es auch nicht nötig, auf diese zu überprüfen. 7 P. KMS SoSe 2014 Hausübung 5 (Musterlösung ) 12/12