Betriebssysteme. Wintersemester Kapitel 3 Speicherverwaltung. Patrick Kendzo

Transkript

1 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Kapitel 3 Speicherverwaltung Patrick Kendzo ppkendzo@gmail.com

2 Programm Inhalt Einleitung Prozesse und Threads Speicherverwaltung Ein- / Ausgabe und Dateisysteme Zusammenfassung + Klausurvorbereitung 2 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

3 Vordergrund und Hintergrund-Threads (1) Es existiert zwei Arten von Threads: 1) Vordergrund-Threads (User Threads) 2) Hintergrund-Threads (Daemon Threads) In Java stehen am Anfang: Ein Vordergrund-Thread: main() Mehrere Hintergrund-Threads: Abfallsammler (Garbage Collector) usw Bedeutung für das Ende eines Prozesses: Prozess (Java Programm) endet, wenn alle Vordergrund-Threads beendet sind Genauere Fassung des Satzes: wenn "alle" Threads beendet sind, ist Prozess beendet 3 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

4 Vordergrund und Hintergrund-Threads (2) Art eines neuen erzeugten Threads: dieselbe Art wie erzeugender Thread Aber explizite Änderung der Art möglich: Methoden der Klasse Thread: 1) public final void setdaemon(boolean on); 2) public final boolean isdaemon(); Beachte: setdaemon nur vor dem Starten eines Threads möglich 4 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

5 Programm Inhalt Einleitung Prozesse und Threads Speicherverwaltung Ein- / Ausgabe und Dateisysteme Zusammenfassung + Klausurvorbereitung 5 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

6 Speicherverwaltung (1) Adressraum eines Prozesses enthält: Programmcode Daten: mit new (in Java) erzeugte Objekte Keller (Stack): wichtig für Methodenaufrufe: lokale Variablen, Rücksprungadressen Prozesse können i.d.r. durch BS-Kernaufrufe ihren Adressraum Stück für Stück in "größeren Einheiten vergrößern Aber: Nicht für jede kleine Speicheranforderung wird Speicher vom Betriebssystem angefordert, sondern jeder Prozess hat noch seine eigene Speicherverwaltung (komplett unabhängig vom Betriebssystem) Speicherverwaltung auf zwei Ebenen: Verwaltung der unterschiedlichen Speicherbereiche der Prozesse Wird durch das Betriebssystem geregelt Verwaltung des Datenspeichers innerhalb eines Prozesses Wird von jeder Anwendung selbst geregelt 6 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

7 Speicherverwaltung (2) Ein Adressraum ist die Menge von Adressen, die ein Prozess zur Adressierung des Speichers benutzen kann. Jeder Prozess hat seinen eigenen Adressraum Beispiel von Adressraumen: In vielen Ländern ist eine lokale Telefonnummer eine siebenstellige Zahl. Adressraum reicht also von bis Der Adressraum einer IPv4-Adresse reicht von 0 bis 2³² - 1 Die Menge der.com-internetdomänen ist auch ein Adressraum 7 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

8 Metapher Koch - Küche: Speicherverwaltung (3) Verwaltung der Küchen Isolierung der Küchen voneinander (ein Koch aus einer Küche hat keinen Zugriff auf Inhalte der anderen Küchen) Vergrößerung der Küchen Der Platzbedarf der Küchen zusammen kann größer sein als das Haus, in dem sich die Küchen befinden Sogar der Platzbedarf einer einzelnen Küche kann größer sein als das Haus, in dem sich die Küche befindet Verwaltung der Stellflächen innerhalb einer Küche Falls neue Utensilien (neue Schüssel) gekauft werden, muss es Platz zum Abstellen geben Eventuell müssen andere Gegenstände verschoben werden Falls es dann immer noch keinen Platz gibt, dann muss die Küche vergrößert werden (s.o. Verwaltung der Küchen) Nicht mehr benötigte Gegenstände können in den Müllschlucker geworfen werden 8 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

9 Speicherverwaltung (4) Gegenstand dieses Kapitel: Verwaltung der unterschiedlichen Speicherbereiche der Prozesse Virtueller Speicher mit Seitenverfahren (Paging) Verwaltung des Datenspeichers innerhalb eines Prozesses Dabei Beobachtung eines Java-Beispielprogramms 9 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

10 Virtueller Speicher (1) Grundidee: Adressraum eines Programms wird in Einheiten (Seiten) aufgebrochen. Dabei werden die Einheiten dem physischen Speicherbereich zugeordnet. Scheinbare Vervielfachung von Speicher (Virtualisierung): Hauptspeicher kann kleiner sein als die Summe der Adressraumgrößen aller existierenden Prozesse Hauptspeicher kann sogar kleiner sein als die Adressraumgröße eines einzigen Prozesses Nicht der gesamte Adressbereich eines Prozesses muss tatsächlich im Hauptspeicher vorhanden sein. Sondern: Nur ein Teil oder gar nichts, falls der Prozess gerade nicht aktiv ist 10 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

11 Virtueller Speicher (2) Ausgelagerte Teile eines Adressraums können beim Einlagern an anderer Stelle in den Hauptspeicher gelegt werden, als sie zuvor waren Alle im Programm verwendete Adressen sind keine realen Adressen, sondern virtuelle Es muss eine Umsetzung von virtuellen in reale Adressen stattfinden Diese Umsetzung wird von der Hardware durchgeführt Mit virtuellem Speicher kann der adressierbare Bereich jedes Prozesses mit 0 beginnen Realisierung: Die meisten Systeme mit virtuellem Speicher verwenden eine Technik namens Paging (Seitenverfahren) 11 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

12 Paging (1) Virtueller Adressraum ist in Einheiten (Seiten) fester Größe unterteilt. Die entsprechende Einheiten im physischen Speicher werden Seitenrahmen (page frame) genannt. Seite und Seitenrahmen sind i.d.r. gleich groß. Seitengröße ist Zweierpotenz 2ⁿ (512 Byte bis 64 KB). Adresse im Befehl besteht aus logischer Seitennummer (höherwertige Bits) + Relativadresse (niederwertige n Bits) Eine Seitentabelle pro Prozess (Adressraumtrennung) Zweck einer Seitentabelle ist es virtuelle Seiten auf Seitenrahmen abzubilden 12 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

13 Prinzip der Adressumsetzung: Paging (2) 13 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

14 Paging (3) Prinzip der Adressumsetzung (continued): Eintrag in Seitentabelle enthält noch weitere (nicht gezeigte) Felder: Seite wurde geschrieben: ja / nein (1 Bit) Auf Seite wurde zugegriffen (schreibend oder lesend): ja /nein (1 Bit) Wird für Seitenersetzungsstrategien verwendet Eine Seitenersetzungsstrategien wird durchgeführt, wenn ein Programm eine (virtuelle) Adresse anspricht, die nicht im physischen Speicher liegt Kann vorkommen, wenn virtueller Speicher größer ist als physischer Speicher In solchen Fällen schreibt das BS einen wenig benutzten Seitenrahmen zurück auf die Festplatte, lädt die angeforderte Seite in den frei gewordenen Seitenrahmen und anschließend ändert die Zuordnungstabelle (Seitentabelle) 14 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

15 Paging (4) Prinzip der Adressumsetzung (continued): Beispiel 15 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

16 JVM Speicherverwaltung (1) Bei Objekterzeugung mit new wird neuer Speicher benötigt Speicher wird intern angefordert Falls Speicher nicht mehr ausreicht, wird neuer Speicher vom Betriebssystem angefordert (Adressraumvergrößerung) Freigabe durch Garbage Collection (interne Speicherverwaltung) JVM hat zu Beginn eine bestimmte Adressraumgröße (2M) mit einigen internen freien Speichern, so dass einige Objekte ohne Vergrößerung des Adressraums erzeugt werden können Adressraum einer JVM wächst bis zu einem gewissen Maximum (64M); Falls diese Größe überschritten wird, gibt es eine Ausnahme Programmabbruch 16 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

17 JVM Speicherverwaltung (2) Anfangsadressraumgröße kann beim Start vorgegeben werden (statt Standardwert): java -Xms32m os.lecture.example -option1 -option2 z.b. falls man bereits zu Beginn weiß, dass Adressraum schnell größer wird als Anfangs-Standardgröße, so kann größerer Anfangs-Adressraum eingestellt werden Maximale Adressraumgröße kann beim Start vorgegeben werden (statt Standardwert): java -Xmx128m os.lecture.example -option1 -option2 z.b. falls Maximalgröße des Adressraums für einen guten Verlauf des Programms nicht ausreicht 17 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

18 Java Beispiel JVM Speicherverwaltung (3) class OneWay { private static long numberofnew = 0; private static long numberoffinalize = 0; private long number; public OneWay(){ numberofnew++; number = numberofnew; if(number % 1000 == 0) System.out.println("new OneWay No. + number + " [" + getnumber() + " objects]"); } public void finalize(){ numberoffinalize++; if(number % 1000 == 0) System.out.println("finalize OneWay No. + number + " [ + getnumber() + " objects]"); } public static long getnumber(){ return numberofnew - numberoffinalize; }} 18 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

19 JVM Speicherverwaltung (4) Java Beispiel (continued) public class GarbageCollTest{ private static final int K = 1024; public static void main(string[] args){ boolean save = false, gc = false; for(int i = 0; i < args.length; i++){ if(args[i].equals("-save")){ save = true; } else if(args[i].equals("-gc")){ gc = true; } else{ System.out.println("java "+ "bs.garbagecolltest + "[-save] [-gc]"); System.exit(0); } } ArrayList<OneWay> container = null; if(save) container = new ArrayList<OneWay>(100000); 19 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

20 JVM Speicherverwaltung (5) Java Beispiel (continued) long i = 1; Runtime rt = Runtime.getRuntime(); while(true){ OneWay ow = new OneWay(); if(save) container.add(ow); if(i % 1000 == 0){ if(gc){ System.gc(); System.runFinalization(); } System.out.println("total mem: + (rt.totalmemory() / K) + "K / free mem: " + (rt.freememory() / K) + "K"); System.out.println(OneWay.getNumber() + " objects"); } i++; } } } 20 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo

21 Anmerkungen: JVM Speicherverwaltung (6) Ohne die Option save läuft das Programm endlos Speicher wird nicht vergrößert! Mit der Option save bricht das Programm wegen Speichermangel ab Speicher wird bis zum Erreichen der Obergrenze immer wieder vergrößert 21 Betriebssysteme Wintersemester 2015 Patrick Kendzo