Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme. 14. Übung

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1 Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme 14. Übung

2 Aufgabe 1 Demand Paging a) Was wird unter dem Begriff Demand Paging verstanden? b) Was sind Vor- und Nachteile des Demand Paging? Bei Demand Paging werden Seiten nur bei Bedarf in den Hauptspeicher eingelagert, wenn der Prozess sie anspricht. Der Bedarf entsteht z.b. bei einem Zugriff eines Programms auf eine ausgelagerte Seite (Pagefault). Eine Seite kann auch wieder aus dem Speicher entfernt werden. + Nur benötigte Daten werden in Speicher geladen + Der Adressbereich eines Prozesses kann größer sein, als der physikalische Hauptspeicher. + Es können mehr Prozesse gleichzeitig aktiv sein, da sie weniger Platz im Hauptspeicher belegen. - Hohe Anzahl an Pagefaults bei Programmstart Der Adressbereich eines Prozesses muss nicht vollständig im Hauptspeicher sein. Das Lokalitätsprinzip besagt, dass ein Prozess in einer Zeitspanne nur relativ wenige, nahe beieinanderliegende Adressen anspricht. Teile des Programms werden bei einem bestimmten Ablauf möglicherweise gar nicht benötigt. (Spezialfälle, Fehlerbehandlungsroutinen etc.).

3 Aufgabe 1 Demand Paging a) Was wird unter dem Begriff Demand Paging verstanden? und was sind Vor- und Nachteile des Demand Paging? Pre-Paging Es werden Seiten spekulativ in den Hauptspeicher geladen. + Anzahl an Pagefaults wird reduziert + Bandbreite von Festplatten wird besser ausgenutzt - Seiten, die nicht verwendet werden, wurden umsonst geladen - Speicherauslastung wird erhöht

4 Aufgabe 1 Demand Paging c) Welche Funktion erfüllt das valid Bit im Demand Paging? Jeder Eintrag in der Seitentabelle enthält ein valid bit, das angibt, ob die Seite im Speicher ist oder nicht. Wenn ein Prozess eine Seite anspricht, die nicht im Speicher ist, wird eine spezielle Exception ausgelöst, ein Page Fault. Eine Betriebssystem-Routine, lädt bei einem Page Fault die benötigte Seite in den Speicher. Falls kein freier Seitenrahmen im Speicher vorhanden ist, muss eine andere Seite ersetzt werden. Für die Auswahl der zu ersetzenden Seite muss eine Strategie implementiert werden. -> Seitenersetzungsalgorithmen

5 Aufgabe 1 Demand Paging c) Welche Funktion erfüllt das valid Bit im Demand Paging? Das Valid-Bit zeigt an, ob eine Seite im Speicher eingelagert ist oder nicht. Valid Bit gesetzt Der Seitentabelleneintrag kann für die Umsetzung der virtuellen Seite in einen physikalischen Rahmen verwendet werden. Valid Bit nicht gesetzt Ein Seitenfehler wird beim Zugriff auf die Seite ausgelöst, die Seite wird anschließend wieder in den Hauptspeicher eingelagert. Bei ausgelagerten Seiten (Nicht gesetztes Valid-Bit) kann das Feld für die physikalische Adresse u.a. für die Speicherung des Auslagerungsorts verwendet

6 Aufgabe 2 Seitenersetzungsalgorithmen Was ist der Unterschied zwischen globalen und lokalen Seitenersetzungsalgorithmen? Welche Vor- und Nachteile bestehen? Globaler Seitenersetzungsalgorithmus Verwendet alle Seiten in allen Adressräumen Es wird eine beliebige Seite im Speicher ersetzt. Beim Anfordern einer neuen Seite kann ein Rahmen von einer anderen Anwendung verwendet werden. Ein Prozess, der viele Page Faults verursacht, erhält automatisch mehr Speicher. (kann von Vorteil als auch von Nachteil sein.) Lokaler Seitenersetzungsalgorithmus Verwendet nur Seiten aus dem Adressraum der Anwendung Es wird immer eine Seite desjenigen Prozesses ersetzt, der eine neue Seite anfordert. Jede Anwendung hat eine feste Anzahl an Frames zur Verfügung Ein Prozess, der viele Page Faults verursacht beeinträchtigt nur sich selbst, nicht aber das Gesamtsystem.

7 Aufgabe 2 Seitenersetzungsalgorithmen Was ist der Unterschied zwischen globalen und lokalen Seitenersetzungsalgorithmen? Welche Vor- und Nachteile bestehen? Vor- und Nachteile eines lokalen Seitenersetzungsalgorithmus + Anwendung hat garantierte Anzahl an Frames zur Verfügung + Kleine Anzahl an Frames erlaubt schnelle Seitenersetzungsalgorithmen - Schwierige Anpassung an wechselnden Speicherbedarf der Anwendung - Wahl der optimalen Anzahl an Frames schwierig

8 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen Gegeben sei ein Programm, das Datenzugriffe innerhalb eines Adressraums von 12 Seiten ausführt. Zu Beginn sei der Cache leer. Das Programm führt nun die folgenden Seitenzugriffe in der gegebenen Reihenfolge aus: 4, 3, 2, 1, 4, 3, 5, 4, 3, 2, 1, 5 Wie viele Seitenfehler treten auf, wenn die folgenden Algorithmen zur Seitenersetzung eingesetzt werden 1) Optimal Algorithmus 2) FIFO Algorithmus 3) LRU Algorithmus und a) der Cache-Memory 3 Seiten umfasst? b) der Cache-Memory 4 Seiten umfasst?

9 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 1) Optimal Algorithmus Diejenige Seite ersetzen, auf die in Zukunft am längsten nicht zugegriffen wird. Vorteil: Verursacht die kleinste Zahl an Page Faults. Nachteil: Diese Strategie ist nicht implementierbar. (idealer Scheduler)

10 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 1) Optimal Algorithmus a) der Cache-Memory 3 Seiten umfasst? Seitenanfragen Hit: 5 Miss: 7 b) der Cache-Memory 4 Seiten umfasst? Seitenanfragen Hit: 6 Miss: 6

11 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 2) FIFO Algorithmus Die Seite ersetzen, die schon am längsten im Speicher ist. Vorteil: Sehr einfach zu implementieren: Es wird eine verkettete Liste der Seiten im Speicher (globale Strategie) bzw. der Seiten eines Prozesses (lokale Strategie) unterhalten. Bei einem Page Fault wird die erste Seite der Liste ersetzt und die neue Seite ans Ende der Liste angefügt. Nachteil: Die ersetzte Seite kann in dauernder Benutzung sein und gleich wieder angefordert werden.

12 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 2) FIFO Algorithmus (andere Schreibweise a) der Cache-Memory 3 Seiten umfasst? Seitenanfragen Hit: 3 Miss: 9 b) der Cache-Memory 4 Seiten umfasst? -> FIFO Anomalie (Belady s Anomalie) Seitenanfragen Hit: 2 Miss:

13 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 2) FIFO Algorithmus (andere Schreibweise) a) der Cache-Memory 3 Seiten umfasst? Seitenanfragen Neueste Seite Älteste Seite Hit: 3 Miss: 9 b) der Cache-Memory 4 Seiten umfasst? -> FIFO Anomalie (Belady s Anomalie) Seitenanfragen Neueste Seite Älteste Seite Hit: 2 Miss: 10

14 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen Second Chance Algorithmus Modifikation des FIFO-Algorithmus: Ist bei der Seitenersetzung das Referenz-Bit der ältesten Seite gesetzt, so wird das Referenz-Bit gelöscht und die Seite am Ende der Liste eingereiht, die gleiche Prüfung für die nächstälteste Seite durchgeführt. Es wird also die älteste Seite ersetzt, deren Referenz-Bit gelöscht ist, einer kürzlich benutzten Seite zunächst eine zweite Chance gegeben.

15 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen Second Chance Algorithmus Einfachere Implementierung: Uhrzeiger Anordnung der Seiten in einer Ringliste, und Verschieben eines Zeigers statt Umpositionieren eines Listenelements. Überprüfen der Seite, auf die der Zeiger zeigt: Wenn R = 0: Seite ersetzen, Zeiger weiter bewegen Wenn R = 1: R löschen, Zeiger weiter bewegen, nächste Seite prüfen Referenzbit wird automatisch gesetzt, Wenn auf die Seite zugegriffen wird -> Ziel Annäherung an LRU

16 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen Second Chance Algorithmus Bei einer frisch eingelagerten Seite wird das Referenzbit zunächst auf 1 gesetzt Wird eine Opferseite zum Austausch gesucht, so werden die Kacheln im Cache reihum inspiziert Ist das Referenzbit 1, so wird es auf 0 gesetzt (zweite Chance) Ist das Referenzbit 0, so wird die Seite ersetzt An der Zeigerposition wird das Referenzbit getestet Falls Referenzbit 1, wird Bit gelöscht Falls Referenzbit 0, wurde ersetzbare Seite gefunden Zeiger wird weitergestellt; falls keine Seite gefunden -> Wiederholung Falls alle Referenzbit auf 1 stehen, wird Second Chance zu FIFO (da alle Referenzbits durchlaufen und auf 0 gesetzt werden) -> daher kann es auch hier zur FIFO-Anomalie kommen, wenn alle Referenzbits auf 1 stehen und nach FIFO entschieden wird. Im Normalfall kommt man aber LRU nahe

17 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 2) Second Chance- Algorithmus (Clock) Referenzbit -> 1=* a) Cache-Memory 3 Seiten umfasst? Seitenanfragen * 4* 4* 1* 1* 1* 5* 5* 5* 5 5 5* 3* 3* 3 4* 4* 4 4* 4* 2* 2* 2* 2* 2 2 3* 3 3 3* 3 1* 1* Hit: 3 Miss: 9 b) der Cache-Memory 4 Seiten umfasst? -> hier trotz Second Chance Anomalie Seitenanfragen * 4* 4* 4* 4* 4* 5* 5* 5* 5* 1* 1* 3* 3* 3* 3* 3* 3 4* 4* 4* 4 5* 2* 2* 2* 2* 2 2 3* 3* 3 3 Hit: 2 Miss: 10 1* 1* 1* * 2 2*

18 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 3) LRU Algorithmus Die Seite ersetzen, die am längsten nicht benutzt worden ist. Vorteil: In der Regel weniger Page Faults als FIFO. Nachteil: Aufwändige Implementierung. Zwei mögliche Implementierungen: mit Zähler mit verketteter Liste

19 Aufgabe 3 Seitenersetzungsalgorithmen 3) LRU Algorithmus a) der Cache-Memory 3 Seiten umfasst? Seitenanfragen Hit: 2 Miss: 10 b) der Cache-Memory 4 Seiten umfasst? Seitenanfragen Hit: 4 Miss:

20 Aufgabe 4 Seitenersetzungsalgorithmen Arbeitsmengenmodell Menge der Seiten, die ein Prozess wirklich braucht (Working Set) Kann nur angenähert werden, da üblicherweise nicht vorhersehbar Annäherung durch Betrachten der letzten Seiten, die angesprochen wurden Geeignete Wahl von - Zu groß: Überlappung von lokalen Zugriffsmustern - Zu klein: Arbeitsmenge enthält nicht alle nötigen Seiten - Hinweis: > Arbeitsmenge, da Seiten in der Regel mehrfach hintereinander angesprochen werden.

21 Aufgabe 4 Seitenersetzungsalgorithmen Working Set Arbeitsmenge Annäherung der Zugriffe durch die Zeit: Bestimmtes Zeitintervall ist ungefähr proportional zu Anzahl von Speicherzugriffen Virtuelle Zeit des Prozesses muss gemessen werden Nur die Zeit relevant, in der der Prozess im Zustand RUNNING ist Verwalten virtueller Uhren pro Prozess

22 Aufgabe 4 Working Set + Thrashing Was ist Seitenflattern (Thrashing) Thrashing bezeichnet einen Zustand sehr hoher Paging-Aktivität. Das System ist zum größten Teil der Zeit nur noch damit beschäftigt Seiten ein- und auszulagern. Thrashing kann auftreten, wenn der Hauptspeicher nicht mehr für die Ausführung aller Anwendungen ausreicht. Beispiel: Eine Anwendung besteht aus zwei Seiten, einer Code- und einer Stack-Seite. Der Anwendung wird ein Rahmen zugewiesen und ein lokaler Seitenersetzungsalgorithmus eingesetzt. Bei jedem Zugriff auf den Stack muss nun die Code-Seite auf die Festplatte ausgelagert und die Stack-Seite von der Festplatte eingelagert werden. Nach dem Stackzugriff muss anschließend die Stack-Seite aus- und die Code-Seite eingelagert werden.

23 Aufgabe 4 Working Set + Thrashing Was ist die Arbeitsmenge (Working Set) einer Anwendung und wie kann Thrashing damit verhindert werden? Die Arbeitsmenge ist die Menge an Seiten, die von den letzten t Seitenreferenzen verwendet wurden. Aufgrund der örtlichen und zeitlichen Lokalität von Anwendungen kann davon ausgegangen werden, dass diese Seiten von der Anwendung häufig benötigt werden. Das Betriebssystem kann nun sicherstellen, dass die Summe der Arbeitsmengen aller Anwendungen im System kleiner oder gleich der Größe des Hauptspeichers ist. Bei Bedarf kann das Betriebssystem eine komplette Anwendung pausieren und auf die Festplatte auslagern.

24 Aufgabe 5 Disk-Scheduling Gegeben ist eine Festplatte mit 5000 Zylindern (nummeriert ). Der Festplattenkopf bewegt sich gerade auf Zylinder 143 zu. Davor stand der Kopf auf Zylinder 125. Es soll nun eine Sequenz von Anfragen auf die folgenden Zylinder abgearbeitet werden. 86, 1470, 913, 1774, 948, 1509, 1022, 1750, 130 Geben Sie die Reihenfolge des Zugriffs auf die Zylinder für die einzelnen Disk- Scheduling Verfahren an: (1) FCFS, (2) SSTF, (3) SCAN, (4) LOOK, (5) C-SCAN

25 Aufgabe 5 Disk-Scheduling 1) FIFO (FCFS): First Come First Serve Elemente in der Warteschlange werden der Reihe nach abgearbeitet. (faire Strategie) 2) SSTF (Shortest Seek Time First): Der jeweils abstandsmäßig nächste Zylinder wird angefahren. Gefahr: Es ist möglich, dass der Zugriff auf die Zylinder an den Rändern beliebig lange verzögert wird. Hohe Auslastung kleine Warteschlangen. 3) SCAN: Plattenarm kann nur in eine Richtung bewegt werden. 4) C-SCAN (Circular SCAN): Bearbeitung ist auf Durchlaufrichtung beschränkt. Ist die letzte Spur erreicht, kehrt der Plattenarm an das entgegengesetzte Ende der Platte zurück und durchläuft die Spuren erneut. 4) LOOK Wie SCAN -> bewegt sich jedoch in die andere Richtung wenn keine weiteren Anfragen in dieser Richtung bestehen

26 Aufgabe 5 Disk-Scheduling Gegeben ist eine Festplatte mit 5000 Zylindern (nummeriert ). Der Festplattenkopf bewegt sich gerade auf Zylinder 143 zu. Davor stand der Kopf auf Zylinder 125. Es soll nun eine Sequenz von Anfragen auf die folgenden Zylinder abgearbeitet werden. 86, 1470, 913, 1774, 948, 1509, 1022, 1750, 130 Geben Sie die Reihenfolge des Zugriffs auf die Zylinder für die einzelnen Disk- Scheduling Verfahren an: (1) FCFS, (2) SSTF, (3) SCAN, (4) LOOK, (5) C-SCAN (1) 143, 86, 1470, 913, 1774, 948, 1509, 1022, 1750, 130. seek distance: (2) 143, 130, 86, 913, 948, 1022, 1470, 1509, 1750, seek distance: (3) 143, 913, 948, 1022, 1470, 1509, 1750, 1774, 4999, 130, 86 seek distance: 9769 (4) 143, 913, 948, 1022, 1470, 1509, 1750, 1774, 130, 86 seek distance: (5) 143, 913, 948, 1022, 1470, 1509, 1750, 1774, 4999,0,86, 130 seek distance: 9985

27 Aufgabe 6 Praxis Gegeben ist C-Programm megamul.c Textdateien file1.txt und file2.txt Programm megamul.c liest enthaltene Array aus den Textdateien, multipliziert diese (hier 10 mal hintereinander) und schreibt das Ergebnis in neue Datei result.txt. (gcc -o megamul megamul.c) Unter Linux kann die Laufzeit eines Programms zusätzlich mit time gemessen werden (man time). Bsp.: time./megamul file1.txt file2.txt Versuchen Sie das Programm durch umstellen der Multiplikations-Abfolge zu beschleunigen. Messen Sie Ihr neues Programm und geben Sie Ihre Zeit hier an! Durch welche Maßnahme konnten Sie das Programm beschleunigen und aus welchem Grund war das ursprüngliche Programm langsamer?

28 Aufgabe 6 Praxis megamul if(gettimeofday(&begin, (struct timezone *)0)){ printf("\nerror: Can not get time \n"); return; } for (count=0;count<10;count++){ for (j = 0; j < 500; j++) { for(k = 0; k < 500; k++) { int r = MatrixB[k][j]; for(i = 0; i < 500; i++) { MatrixC[i][j] += MatrixA[i][k] * r; } } } } //breakpoint_time = time(null); if(gettimeofday(&end, (struct timezone *)0)){ printf("\nerror: Can not get time \n"); return; } printf("begin: %lu sec, %lu usec\n", begin.tv_sec, begin.tv_usec); printf("end: %lu sec, %lu usec\n", end.tv_sec, end.tv_usec); seconds = end.tv_sec - begin.tv_sec; useconds = end.tv_usec - begin.tv_usec; if (useconds<0){ useconds += ; seconds--; }

29 Aufgabe 6 Praxis time./megamul file1.txt file2.txt begin: sec, usec end: sec, usec Run-Time: 22 sec, usec real 0m22.862s user 0m20.221s sys 0m0.036s real gibt an wie viel Zeit insgesamt fur die vom Starten bis zum Beenden des Befehls gebraucht wurde. enthalt auch die Zeit, in der eventuell andere Prozesse der CPU zugeteilt wurden. user gibt die Zeit an, die innerhalb des Prozesses im USER mode im Prozessor verbracht wurde. sys gibt die Zeit an, die innerhalb des Prozesses im SYSTEM mode im Prozessor verbracht wurde (z.b. durch system calls).

30 Aufgabe 6 Praxis megamul_loes if(gettimeofday(&begin, (struct timezone *)0)){ printf("\nerror: Can not get time \n"); return; } for (count=0;count<10;count++){ for (i = 0; i < 500; i++) { for(k = 0; k < 500; k++) { int r = MatrixB[i][k]; for(j= 0; j < 500; j++) { MatrixC[i][j] += MatrixA[k][j] * r; } } } } //breakpoint_time = time(null); if(gettimeofday(&end, (struct timezone *)0)){ printf("\nerror: Can not get time \n"); return; } printf("begin: %lu sec, %lu usec\n", begin.tv_sec, begin.tv_usec); printf("end: %lu sec, %lu usec\n", end.tv_sec, end.tv_usec); seconds = end.tv_sec - begin.tv_sec; useconds = end.tv_usec - begin.tv_usec; if (useconds<0){ useconds += ; seconds--; }

31 Aufgabe 6 Praxis time./megamul_loes file1.txt file2.txt begin: sec, usec end: sec, usec Run-Time: 13 sec, usec real user sys 0m13.549s 0m11.821s 0m0.044s

32 Aufgabe 6 Praxis

33 Aufgabe 6 Praxis

34 Aufgabe 6 Praxis

35 Aufgabe 6 Praxis

36 Aufgabe 6 Praxis

37 Aufgabe 6 Praxis

38 Aufgabe 6 Praxis