Betriebssysteme I WS 2016/2017. Betriebssysteme / verteilte Systeme Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404
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1 Betriebssysteme I WS 2016/2017 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 2. Februar 2017 Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (1/15) i
2 Betriebssysteme I WS 2016/ Speicherverwaltung Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 281
3 6 Speicherverwaltung Inhalt: Einführung, Grundlagen Swapping und dynamische Speicherverwaltung Seitenbasierte Speicherverwaltung (Paging) Adreßumsetzung Dynamische Seitenersetzung Seitenersetzungsalgorithmen Tanenbaum 4 Stallings 7, 8 Nehmer/Sturm 4 Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 282
4 6.1 Einführung, Grundlagen Wichtige Unterscheidung / Begriffe Adreßraum: Menge aller verwendbaren Adressen logischer (virtueller) Adreßraum: aus Sicht eines Programms bzw. Prozesses gesehen Adressen, die der Prozess verwenden kann physischer Adreßraum: aus Sicht der Hardware Adressen, die die Speicher-Hardware verwendet / verwenden kann nicht immer identisch! (siehe später: Paging) Speicher: das Stück Hardware, das Daten speichert (oft: Speicher als Synonym für physischer Adreßraum) genauer: die Threads des Prozesses Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 283
5 6.1.1 Verwaltung des physischen Adreßraums Erinnerung: Speicherhierarchie Verwaltung durch: Register Cache Hauptspeicher Magnetspeicher (Festplatte) Magnetband Programmierer / Compiler Hardware (+ Compiler / BS) BS: Speicher verwaltung BS: Datei verwaltung Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 284
6 6.1.1 Verwaltung des physischen Adreßraums Aufgaben der Speicherverwaltung im BS Finden und Zuteilung freier Speicherbereiche z.b. bei Erzeugung eines neuen Prozesses oder bei Speicheranforderung durch existierenden Prozess Effiziente Nutzung des Speichers: verschiedene Aspekte gesamter freier Speicher sollte für Prozesse nutzbar sein Prozeß benötigt nicht immer alle Teile seines Adreßraums Adreßräume aller Prozesse evtl. größer als verfügbarer Hauptspeicher Speicherschutz Threads eines Prozesses sollten nur auf Daten dieses Prozesses zugreifen können Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 285
7 6.1.2 Einfache historische Ansätze Mehrprogrammbetrieb mit festen Partitionen Einfachste Speicherverwaltung Hauptspeicher in Partitionen fester Größe eingeteilt Festlegung bei Systemstart Anzahl legt Multiprogramming-Grad fest damit auch erreichbare CPU-Auslastung unterschiedlich grosse Partitionen möglich Partition 3 Partition 2 Partition 1 eine Partition für BS 0 Bei Ankunft eines Auftrags (d.h. Start eines Programms) Einfügen in Warteschlange für Speicherzuteilung pro Partition oder gemeinsam Partition 4 800K Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 286 BS 700K 400K 200K 100K
8 6.1.2 Einfache historische Ansätze Relokation und Speicherschutz Hintergrund: Programmcode enthält Adressen z.b. in Unterprogrammaufrufen oder Ladebefehlen Ohne Hardware-Unterstützung: beim Laden des Programms in eine Partition: Adressen im Code müssen durch das BS angepaßt werden (Relokation) möglich durch Liste in Programmdatei, die angibt, wo sich Adressen im Code befinden durch Relokation beim Laden kann kein Speicherschutz erreicht werden Threads des Prozesses können auf Partitionen anderer Prozesse zugreifen Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 287
9 6.1.2 Einfache historische Ansätze Relokation und Speicherschutz Einfachste Unterstützung durch Hardware: zwei spezielle, privilegierte Prozessorregister: Basisregister: Anfangsadresse der Partition Grenzregister: Länge der Partition werden vom BS beim Prozeßwechsel mit Werten des aktuellen Prozesses geladen bei jedem Speicherzugriff (in Hardware): vergleiche (logische) Adresse mit Grenzregister falls größer/gleich: Ausnahme auslösen addiere Basisregister zur (logischen) Adresse Ergebnis: (physische) Speicheradresse Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 288
10 6.2 Swapping und dyn. Speicherverwaltung Feste Partitionen nur für Stapelverarbeitung geeignet Bei interaktiven Systemen: alle aktiven Programme zusammen benötigen evtl. mehr Partitionen bzw. Speicher als vorhanden Lösung: dynamische Partitionen Partitionen ggf. temporär auf Festplatte auslagern Einfachste Variante: Swapping kompletter Prozeßadreßraum wird ausgelagert und Prozeß suspendiert Wieder-Einlagern evtl. an anderer Stelle im Speicher Relokation i.d.r. über Basisregister (Bessere Variante: Paging, 6.3) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 289
11 6.2.1 Swapping Beispiel BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290
12 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290
13 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A A BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290
14 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B A BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290
15 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B B A A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290
16 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B C startet C A B A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290
17 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B C startet C C A B A B A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290 BS
18 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B C startet C B termi niert C B B A A A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290 BS
19 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B C startet C B termi niert C C B B A A A A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290 BS BS
20 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B C startet C B termi niert D startet D??? C C B B A A A A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290 BS BS
21 6.2.1 Swapping Beispiel A startet A B startet B C startet C B termi niert D startet D??? C C D B B C A A A A A BS BS BS Zeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 290 BS BS BS
22 6.2.1 Swapping Diskussion Unterschied zu festen Partitionen: Zahl, Größe und Ort der Partitionen variabel Löcher im Speicher können im Prinzip durch Verschieben zusammengefasst werden Probleme: Ein- und Auslagern ist sehr zeitaufwendig Prozeß kann zur Laufzeit mehr Speicher anfordern benötigt evtl. Verschiebung oder Auslagerung von Prozessen Schlechte Speichernutzung: Prozeß benötigt i.d.r. nicht immer seinen ganzen Adreßraum Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 291
23 6.2.2 Dynamische Speicherverwaltung BS muß bei Prozeßerzeugung oder Einlagerung einen passenden Speicherbereich finden Dazu: BS benötigt Information über freie Speicherbereiche Typisch: Liste aller freien Speicherbereiche Listenelemente jeweils im freien Bereich gespeichert Wichtig bei Speicherfreigabe: Verschmelzen der Einträge für aneinander grenzende freie Speicherbereiche dazu: doppelt verkettete Liste, sortiert nach Adressen 10,20 41,45 Anmerkung: Problem/Lösungen identisch zur Verwaltung des Heaps durch das Laufzeitsystem Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 292
24 6.2.2 Dynamische Speicherverwaltung BS muß bei Prozeßerzeugung oder Einlagerung einen passenden Speicherbereich finden Dazu: BS benötigt Information über freie Speicherbereiche Typisch: Liste aller freien Speicherbereiche Listenelemente jeweils im freien Bereich gespeichert Wichtig bei Speicherfreigabe: Verschmelzen der Einträge für aneinander grenzende freie Speicherbereiche dazu: doppelt verkettete Liste, sortiert nach Adressen 10,20 21,40 41,45 Anmerkung: Problem/Lösungen identisch zur Verwaltung des Heaps durch das Laufzeitsystem Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 292
25 6.2.2 Dynamische Speicherverwaltung BS muß bei Prozeßerzeugung oder Einlagerung einen passenden Speicherbereich finden Dazu: BS benötigt Information über freie Speicherbereiche Typisch: Liste aller freien Speicherbereiche Listenelemente jeweils im freien Bereich gespeichert Wichtig bei Speicherfreigabe: Verschmelzen der Einträge für aneinander grenzende freie Speicherbereiche dazu: doppelt verkettete Liste, sortiert nach Adressen 10,20 21,40 41,45 10,45 Anmerkung: Problem/Lösungen identisch zur Verwaltung des Heaps durch das Laufzeitsystem Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 292
26 6.2.2 Dynamische Speicherverwaltung Suchverfahren Ziel: finde einen passenden Eintrag in der Freispeicherliste benötigter Anteil wird an Prozeß zugewiesen Rest wird wieder in Freispeicherliste eingetragen führt zu (externer) Fragmentierung des Speichers First Fit: verwende ersten passenden Speicherbereich einfach, relativ gut Quick Fit: verschiedene Listen für Freibereiche mit gebräuchlichen Größen schnelle Suche Problem: Verschmelzen freier Speicherbereiche Variante Buddy-System: Blockgrößen sind Zweierpotenzen einfaches Verschmelzen, aber interne Fragmentierung Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 293
27 6.3 Seitenbasierte Speicherverwaltung (Paging) Grundlage: strikte Trennung zwischen logischen Adressen, die der Prozeß sieht / benutzt auch virtuelle Adresse genannt physischen Adressen, die der Hauptspeicher sieht Idee: bei jedem Speicherzugriff wird die vom Prozeß erzeugte logische Adresse auf eine physische Adresse abgebildet durch Hardware: MMU (Memory Management Unit) Vorteile: kein Verschieben beim Laden eines Prozesses erforderlich auch kleine freie Speicherbereiche sind nutzbar keine aufwendige Suche nach passenden Speicherbereichen Speicherschutz ergibt sich (fast) automatisch ermöglicht, auch Teile des Prozeßadreßraums auzuslagern Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 294
28 6.3 Seitenbasierte Speicherverwaltung (Paging) Ort und Funktion der MMU im Rechner CPU Chip CPU MMU CPU schickt logische (virtuelle) Adressen zur MMU Speicher E/A Controller Bus MMU schickt physische Adressen zum Hauptspeicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 295
29 6.3.1 Adreßumsetzung Seitenbasierte Speicherabbildung Abbildung von virtuellen auf physische Adressen über Tabelle Tabelle wird vom BS erstellt und aktualisiert Dazu: Aufteilung der Adreßräume in Blöcke fester Größe Seite: Block im virtuellen Adreßraum Kachel (Seitenrahmen): Block im physischen Adreßraum Typische Seitengröße: 4 KByte Umsetzungstabelle (Seitentabelle) definiert für jede Seite: physische Adresse der zugehörigen Kachel (falls vorhanden) Zugriffsrechte Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 296
30 6.3.1 Adreßumsetzung Grundidee der seitenbasierten Speicherabbildung FFF virtueller Adreßraum Prozeß 1 physischer Adreßraum Hauptspeicher FFF * Abbil dung 1 0 Seite Kachel 0 Betriebssystem * Diese Seiten sind nicht in den Hauptspeicher abgebildet Sie könnten z.b. auf Hintergrundspeicher ausgelagert sein. Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 297
31 6.3.1 Adreßumsetzung Grundidee der seitenbasierten Speicherabbildung FFF virtueller Adreßraum Prozeß 1 physischer Adreßraum Hauptspeicher FFF FFF virtueller Adreßraum Prozeß 2 * Abbil dung 1 Abbil dung 2 * * 0 0 Seite Kachel 0 Betriebssystem * Diese Seiten sind nicht in den Hauptspeicher abgebildet Sie könnten z.b. auf Hintergrundspeicher ausgelagert sein. Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (11/15) 297
32 Betriebssysteme I WS 2016/ Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 2. Februar 2017 Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) xii
33 6.3.1 Adreßumsetzung Prinzip der Adreßumsetzung virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) physische Adresse (an Hauptspeicher) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 298
34 6.3.1 Adreßumsetzung Prinzip der Adreßumsetzung virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Die Größe des virtuellen und des physischen Adreßraums kann auch verschieden sein! physische Adresse (an Hauptspeicher) 0 0 Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 298
35 6.3.1 Adreßumsetzung Prinzip der Adreßumsetzung virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Seitennummer Offset innerhalb der Seite Seiten größe 4KB (= 212 ) Kachelnummer Offset innerhalb der Kachel physische Adresse (an Hauptspeicher) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 298
36 6.3.1 Adreßumsetzung Prinzip der Adreßumsetzung virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) 31 Seitennummer Index Seitentabelle Offset innerhalb der Seite Seitennummer wählt direkt einen Tabelleneintrag aus, der Kachelnummer enthält Kachelnummer Offset innerhalb der Kachel physische Adresse (an Hauptspeicher) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 298
37 6.3.1 Adreßumsetzung Prinzip der Adreßumsetzung virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) 31 Seitennummer Index Seitentabelle Offset innerhalb der Seite 0 Offset wird unverändert übernommen Kachelnummer Offset innerhalb der Kachel physische Adresse (an Hauptspeicher) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 298
38 6.3.1 Adreßumsetzung Typischer Aufbau der Seitentabelleneinträge 0: 1: 2: 3: 4: Seitentabelle Index = Seitennummer typ. 32 Bit 1 Kachel Nummer Present/Absent ist der Seite eine Kachel zugordnet? Zugriffsrechte: Lesen, Schreiben, Ausführen Verändert ( Modified Bit, M Bit) wird von MMU bei Schreibzugriff gesetzt Referenziert ( Referenced Bit, R Bit) wird von MMU bei jedem Zugriff gesetzt Caching ausschalten z.b. bei speicherbasierter E/A Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 299
39 6.3.1 Adreßumsetzung Adreßabbildung ist Zusammenspiel von BS und MMU BS setzt für jeden Prozeß eine Seitentabelle auf Tabelle wird beim Prozeßwechsel ausgetauscht MMU realisiert die Adreßumsetzung falls einer Seite keine Kachel zugeordnet ist (Present-Bit ist gelöscht): MMU erzeugt Ausnahme (Seitenfehler) Speicherschutz ist automatisch gegeben, da Seitentabelle nur auf Kacheln verweist, die dem Prozeß zugeteilt sind zusätzlich: Zugriffsrechte für einzelne Seiten z.b. Schreibschutz für Programmcode bei Verletzung: Erzeugen einer Ausnahme Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 300
40 6.3.1 Adreßumsetzung Mehrstufige Seitentabellen Jeder Seite muß eine Kachel zugeordnet werden können Problem: Speicherplatzbedarf der Tabelle z.b. bei virtuellen Adressen mit 32 Bit Länge: 2 20 Seiten für jeden Prozeß wäre eine 4 MByte große Tabelle nötig bei 64-Bit Prozessoren sogar 2 52 Seiten, d.h. 32 PByte! Aber: Prozeß nutzt virtuellen Adreßraum i.a. nicht vollständig daher mehrstufige Tabellen sinnvoll, z.b. für 2 20 Seiten: 1. Stufe: Hauptseitentabelle mit 1024 Einträgen 2. Stufe: 1024 Seitentabellen mit je 1024 Einträgen (Tabellen nur vorhanden, wenn notwendig) (Alternative: Invertierte Seitentabellen) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 301
41 6.3.1 Adreßumsetzung Adreßumsetzung mit zweistufiger Seitentabelle MMU Register enthält Adresse der Haupt seitentabelle (wird bei Prozeß wechsel umgeladen) Tabelleneinträge verweisen auf Seitentabellen Tabellen liegen im Hauptspeicher Register Haupt seitentabelle absent absent Seiten tabelle Tabellen einträge enthalten Kachel nummern Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 302
42 6.3.1 Adreßumsetzung Adreßumsetzung mit zweistufiger Seitentabelle 31 virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Seitennummer Offset Register Haupt seitentabelle absent absent Seiten tabelle Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 303
43 6.3.1 Adreßumsetzung Adreßumsetzung mit zweistufiger Seitentabelle 31 virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Seitennummer Offset Register Haupt seitentabelle absent absent Seiten tabelle Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 303
44 6.3.1 Adreßumsetzung Adreßumsetzung mit zweistufiger Seitentabelle 31 virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Seitennummer Offset Register Haupt seitentabelle absent absent Seiten tabelle Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 303
45 6.3.1 Adreßumsetzung Adreßumsetzung mit zweistufiger Seitentabelle 31 virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Seitennummer Offset Register absent Haupt seitentabelle absent Seiten tabelle physische Adresse Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 303
46 6.3.1 Adreßumsetzung TLB: Translation Lookaside Buffer Seitentabellen liegen im Speicher für jeden Speicherzugriff mehrere zusätzliche Zugriffe für Adreßumsetzung nötig! Optimierung: MMU hält kleinen Teil der Adreßabbildung in einem internen Cache-Speicher: TLB Verwaltung des TLB durch Hardware (MMU): bei CISC-Prozessoren (z.b. x86) durch Software (BS): bei einigen RISC-Prozessoren MMU erzeugt Ausnahme, falls für eine Seite kein TLB- Eintrag vorliegt BS behandelt Ausnahme: Durchsuchen der Seitentabellen und Ersetzen eines TLB-Eintrags Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 304
47 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Motivation: Lokalitätsprinzip Adresse Ausführungszeit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 305
48 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Virtueller Speicher Idee: nur eine Teilmenge der Seiten eines Prozesses wird im Hauptspeicher gehalten: Resident Set alle anderen Seiten sind auf Festplatte ausgelagert Auswirkungen: höherer Multiprogramming-Grad möglich Prozeßadreßraum (logischer Adreßraum) kann größer als Hauptspeicher (physischer Adreßraum) sein Working Set eines Prozesses P : w(k,t) zur Zeit t: Menge der Seiten, die P bei den letzten k Speicherzugriffen benutzt hat Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 306
49 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Abhängigkeit des Working Set von k w(k,t) k Für genügend großes k: w(k, t) ist beinahe konstant aber meist noch deutlich kleiner als Prozeßadreßraum Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 307
50 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Working Set und Speicherzuteilung BS muß genügend Speicher bereitstellen, um für jeden Prozeß das Working Set w(k,t) für genügend großes k im Hauptspeicher zu halten Falls nicht: Thrashing, Seitenflattern Prozesse benötigen ständig ausgelagerte Seiten zum Einlagern muß aber andere Seite verdrängt werden führt zu ständigem Ein- und Auslagern Systemleistung sinkt dramatisch Mögliche Abhilfe: Swapping verdränge einen Prozeß komplett aus dem Speicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 308
51 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Strategieentscheidungen Abrufstrategie: wann werden Seiten eingelagert? erst bei Bedarf, also bei Seitenfehler: Demand Paging im Voraus: Prepaging z.b. bei Programmstart oder: lade Folgeseiten auf Platte gleich mit (bei Swapping werden immer alle zuvor residenten Seiten wieder eingelagert) Zuteilungsstrategie: welche Kacheln werden einem Prozeß zugeteilt? nur in Spezialfällen (Parallelrechner) relevant Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 309
52 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Strategieentscheidungen Austauschstrategie welche Seite wird verdrängt, wenn keine freie Kachel mehr vorhanden ist? Seitenersetzungsalgorithmen ( 6.3.3) wo wird nach Verdrängungskandidaten gesucht? lokale Strategie: verdränge nur Seiten des Prozesses, der neue Seite anfordert Adreßraumgröße fest oder variabel Größe sollte Working Set entsprechen Einstellung z.b. aufgrund der Seitenfehlerfrequenz globale Strategie: suche Verdrängungskandidaten unter den Seiten aller Prozesse Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 310
53 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Ablauf eines Seitenwechsels (vereinfacht) 0. MMU hat Seitenfehler (Ausnahme) ausgelöst 1. BS ermittelt virtuelle Adresse (Seite S) u. Grund der Ausnahme 2. Falls Schutzverletzung vorlag: Prozeß abbrechen, Fertig. 3. Falls keine freie Kachel verfügbar: a) bestimme die zu verdrängende Seite S b) falls S modifiziert (Modified-Bit = 1): S auf Platte schreiben c) Seitentabelleneintrag für S aktualisieren (u.a. Present-Bit = 0) 4. Seite S von Platte in freie Kachel (ggf. die von S ) laden 5. Seitentabelleneintrag für S aktualisieren (u.a. Present-Bit = 1) 6. unterbrochenen Thread fortsetzen abgebrochener Befehl wird weitergeführt oder wiederholt Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 311
54 6.3.2 Dynamische Seitenersetzung Zu den Kosten von Seitenwechseln Mittlere Speicherzugriffszeit bei Wahrscheinlichkeit p für Seitenfehler: t Z = t HS + p t SF t HS : Zugriffszeit des Hauptspeichers (ca ns) t SF : Zeit für Behandlung eines Seitenfehlers dominiert durch Plattenzugriff (ca. 10 ms) Um Leistungsverlust im Rahmen zu halten: p muß sehr klein sein max. ein Seitenfehler bei mehreren Millionen Zugriffen Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 312
55 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Optimale Strategie (nach Belady) Verdränge die Seite, die in Zukunft am längsten nicht mehr benötigt wird Zugriffe (Seiten) Seiten 7 7 im Haupt 0 speicher 1 In der Praxis nicht realisierbar Als Referenzmodell zur Bewertung anderer Verfahren Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 313
56 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Optimale Strategie (nach Belady) Verdränge die Seite, die in Zukunft am längsten nicht mehr benötigt wird Zugriffe (Seiten) Seiten 7 7 im Haupt 0 0 speicher 1 In der Praxis nicht realisierbar Als Referenzmodell zur Bewertung anderer Verfahren Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 313
57 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Optimale Strategie (nach Belady) Verdränge die Seite, die in Zukunft am längsten nicht mehr benötigt wird Zugriffe (Seiten) Seiten 7 7 im Haupt 0 speicher In der Praxis nicht realisierbar Als Referenzmodell zur Bewertung anderer Verfahren Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 313
58 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Optimale Strategie (nach Belady) Verdränge die Seite, die in Zukunft am längsten nicht mehr benötigt wird Zugriffe (Seiten) Seiten 7 7 im Haupt 0 speicher In der Praxis nicht realisierbar Als Referenzmodell zur Bewertung anderer Verfahren Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 313
59 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Optimale Strategie (nach Belady) Verdränge die Seite, die in Zukunft am längsten nicht mehr benötigt wird Zugriffe (Seiten) Seiten 7 7 im Haupt 0 speicher In der Praxis nicht realisierbar Als Referenzmodell zur Bewertung anderer Verfahren Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 313
60 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Not Recently Used (NRU) Basis: von der MMU gesetzte Statusbits in Seitentabelle: R-Bit: Seite wurde referenziert M-Bit: Seite wurde modifiziert R-Bit wird vom BS in regelmäßigem Abstand gelöscht Bei Verdrängung: vier Prioritätsklassen Klasse 0: nicht referenziert, nicht modifiziert Klasse 1: nicht referenziert, modifiziert Klasse 2: referenziert, nicht modifiziert Klasse 3: referenziert, modifiziert Auswahl innerhalb der Klasse zufällig Nicht besonders gut, aber einfach Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 314
61 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen First In First Out (FIFO) Verdränge die Seite, die am längsten im Hauptspeicher ist Einfache, aber schlechte Strategie Zugriffsverhalten (Working Set) wird ignoriert Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 315
62 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Second Chance bzw. Clock-Algorithmus Erweiterung von FIFO Idee: verdränge älteste Seite, auf die seit dem letzten Seitenwechsel nicht zugegriffen wurde Seiten im Hauptspeicher werden nach Alter sortiert in Ringliste angeordnet, Zeiger zeigt auf älteste Seite J K I L H A G B F C E D Bei Seitenfehler: betrachte Seite, auf die der Zeiger zeigt: R = 0: verdränge Seite, fertig R = 1: lösche R-Bit, setze Zeiger eins weiter, wiederhole von vorne Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 316
63 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Least Recently Used (LRU) Verdränge die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde Vermutung: wird auch in Zukunft nicht mehr benutzt Nahezu optimal, wenn Lokalität gegeben ist Problem: (Software-)Implementierung bei jedem Zugriff muß ein Zeitstempel aktualisiert werden daher i.a. nur Näherungen (z.b. Aging) Zugriffe (Seiten) Seiten im Haupt speicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 317
64 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Least Recently Used (LRU) Verdränge die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde Vermutung: wird auch in Zukunft nicht mehr benutzt Nahezu optimal, wenn Lokalität gegeben ist Problem: (Software-)Implementierung bei jedem Zugriff muß ein Zeitstempel aktualisiert werden daher i.a. nur Näherungen (z.b. Aging) Zugriffe (Seiten) Seiten im Haupt speicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 317
65 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Least Recently Used (LRU) Verdränge die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde Vermutung: wird auch in Zukunft nicht mehr benutzt Nahezu optimal, wenn Lokalität gegeben ist Problem: (Software-)Implementierung bei jedem Zugriff muß ein Zeitstempel aktualisiert werden daher i.a. nur Näherungen (z.b. Aging) Zugriffe (Seiten) Seiten im Haupt speicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 317
66 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Least Recently Used (LRU) Verdränge die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde Vermutung: wird auch in Zukunft nicht mehr benutzt Nahezu optimal, wenn Lokalität gegeben ist Problem: (Software-)Implementierung bei jedem Zugriff muß ein Zeitstempel aktualisiert werden daher i.a. nur Näherungen (z.b. Aging) Zugriffe (Seiten) Seiten im Haupt speicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 317
67 6.3.3 Seitenersetzungsalgorithmen Least Recently Used (LRU) Verdränge die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde Vermutung: wird auch in Zukunft nicht mehr benutzt Nahezu optimal, wenn Lokalität gegeben ist Problem: (Software-)Implementierung bei jedem Zugriff muß ein Zeitstempel aktualisiert werden daher i.a. nur Näherungen (z.b. Aging) Zugriffe (Seiten) Seiten im Haupt speicher Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 317
68 6.3.4 Gemeinsamer Speicher zwischen Prozessen Adreßräume von Prozessen können teilweise überlappen virtueller Adreßraum 1 Hauptspeicher virtueller Adreßraum 2 Anwendung: gemeinsame Speichersegmente zur Kommunikation gemeinsam genutzte Bibliotheken (Shared Library, DLL) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 318
69 6.4 Zusammenfassung / Wiederholung Ziele der Speicherverwaltung: effiziente Speicherzuweisung, Speicherschutz Wichtig: Unterscheidung logischer / physischer Adreßraum Swapping: Ein-/Auslagern kompletter Adreßräume Suche nach freiem Speicher: First Fit, Quick Fit Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (12/15) 319
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71 6.4 Zusammenfassung / Wiederholung Virtuelle Speicherverwaltung: Paging Einteilung des logischen Adreßraums in Seiten Einteilung des physichen Adreßraums in Kacheln jede Seite kann auf beliebige Kachel im Speicher abgebildet werden auf Festplatte ausgelagert werden Hardware (MMU) bildet bei jedem Speicherzugriff logische auf physische Adresse ab Beschreibung der Abbildung in Seitentabelle pro Seite ein Eintrag, enthält u.a.: Kachel-Nummer Present-Bit: ist der Seite eine Kachel zugewiesen? Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (13/15) 320
72 6.4 Zusammenfassung / Wiederholung Grundidee des Paging FFF virtueller Adreßraum Prozeß 1 physischer Adreßraum Hauptspeicher FFF FFF virtueller Adreßraum Prozeß 2 * Abbil dung 1 Abbil dung 2 * * 0 0 * Seite Kachel 0 Betriebssystem Diese Seiten sind nicht in den Hauptspeicher abgebildet Sie könnten z.b. auf Hintergrundspeicher ausgelagert sein. Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (13/15) 321
73 6.4 Zusammenfassung / Wiederholung Prinzip der Adreßumsetzung Die Größe des virtuellen und des physischen Adreßraums kann auch verschieden sein! virtuelle Adresse (vom Prozeß generiert) Seitennummer Offset innerhalb der Seite Index Seiten Seitentabelle größe 4KB (= 212 ) Kachelnummer Offset innerhalb der Kachel physische Adresse (an Hauptspeicher) 0 0 Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (13/15) 322
74 6.4 Zusammenfassung / Wiederholung Mehrstufige Seitentabellen Tabellen tieferer Stufen nur vorhanden, falls nötig TLB: Cache in der MMU speichert die zuletzt verwendeten Tabelleneinträge Dynamische Seitenersetzung nur die aktuell benötigten Seiten (Working Set) werden im Hauptspeicher gehalten Rest auf Plattenspeicher verdrängt bei Zugriff auf ausgelagerte Seite: Seitenfehler BS lädt Seite in Hauptspeicher, muß ggf. andere Seite verdrängen (Seitenersetzung) Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (13/15) 323
75 6.4 Zusammenfassung / Wiederholung Seitenersetzungsalgorithmen bestimmen, welche Seite verdrängt wird Optimale Strategie: die Seite, die in Zukunft am längsten nicht benötigt wird NRU: vier Klassen gemäß R und M-Bit FIFO: die Seite, die am längsten im Hauptspeicher ist Second Chance: die älteste Seite, die seit letztem Seitenwechsel nicht benutzt wurde Clock-Algorithmus: effiziente Implementierung LRU: die Seite, die am längsten nicht benutzt wurde Betriebssysteme / verteilte Systeme Betriebssysteme I (13/15) 324
Betriebssysteme I WS 2013/2014. Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404
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