Kapitel VI. Speicherverwaltung. Speicherverwaltung

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1 Kapitel VI Speicherverwaltung 1 Speicherverwaltung Computer exekutiert Programme (mit Daten) im Hauptspeicher. Hauptspeicher: Großes Array von Wörtern (1 oder mehrere Bytes) Jedes Wort hat eine eigene Adresse. Ausführungszyklus einer Programminstruktion: CPU holt Instruktion aus Hauptspeicher basierend auf Programmzähler. Instruktion wird dekodiert. Operanden werden von Hauptspeicher/Register geholt. Resultate werden im Hauptspeicher/Register gespeichert. Meistens werden mehrere Programme zugleich exekutiert. Hauptspeicher hat zuwenig Platz für alle Programme und Daten. Festplatte als Backup-Speicher für Hauptspeicher. 2

2 Adressbindung (1) Programm liegt auf Festplatte als Binärcode. Programm wird geladen (von Festplatte in Hauptspeicher) und von Prozess exekutiert. Prozesse, die darauf warten, geladen zu werden, befinden sich in der Eingabewarteschlange. Ein Prozess wird aus der Warteschlange ausgewählt und geladen. Prozess greift auf Instruktionen und Daten im Speicher zu. Prozess terminiert und gibt Speicher frei. Programm kann an vielen Stellen im Speicher geladen werden. Die Adressbindung von Instruktionen und Daten kann auf verschiedene Arten erfolgen. 3 Adressbindung (2) Zur Übersetzungszeit Programmstartadresse im Speicher zur Übersetzungszeit bekannt. Kann absolute Adressen generieren Bei Änderung der Startadresse muss neu übersetzt werden. Zur Ladezeit Startadresse des Programms nicht zur Übersetzungszeit bekannt. Übersetzer erzeugt relocatable Code. Adressbindung erst zur Ladezeit Bei Änderung der Startadresse muss neu geladen werden. Zur Laufzeit Prozess kann während Exekution im Speicher verschoben werden. Adressbindung erst zur Laufzeit. Spezielle Hardware notwendig (dynamische Adressberechnung) 4

3 Verarbeitung eines Programms zur Übersetzungszeit Eingabeprogramm Symbolische Adressen z.b. Zähler Übersetzer oder Assembler Objektmodul Relocatable Adressen z.b. 14 Bytes nach Beginn dieses Speichermoduls 5 Verarbeitung eines Programms zur Ladezeit Objektmodul Weitere Objektmodule Linker Lademodul Lader Systembibliothek 6

4 Verarbeitung eines Programms zur Laufzeit Lader Dynamisch geladene Systembibliothek Binärcode (Image) absolute Adressen 7 Dynamisches Laden und Linken Dynamisches Laden: Dynamisches Laden, um Speicher optimal auszunützen Alle Routinen sind auf der Platte in relocatable Format. Eine Code-Routine wird erst bei Gebrauch zur Laufzeit geladen. Dynamisches Linken (meist für Sprach- oder Systembibliotheken): Linken von Routinen mit Benutzerprogramm zur Laufzeit. Statt Routine wird Stub in den Binärcode inkludiert. Stub weiß wo sich Routine (bereits geladen) befindet, oder wie man Routine lädt. Stub ersetzt sich selbst mit der Adresse der Routine und exekutiert diese. Bei der nächsten Verwendung einer Routine ist diese bereits im Speicher. 8

5 Overlays Was ist, wenn ein Prozess mehr Speicher benötigt, als physikalisch verfügbar ist? Verwende Overlays: Lege nur jene Befehle im Speicher ab, die gerade benötigt werden. Alle anderen Befehle bleiben auf der Platte. Bei Bedarf ersetze geladene Befehle, die möglichst nicht mehr verwendet werden. Programme werden dazu in Segmente zerlegt. Ein Overlay ist eine Sequenz von Segmenten, die vollständig im Speicher exekutiert werden kann. 9 Logische und Physikalische Adressen Logische (virtuelle) Adressen aus der Sicht der CPU Physikalische Adressen aus der Sicht des Speichers Logische Adressen werden zur Laufzeit von der Memory Management Unit (MMU) in physikalische Adressen übersetzt. MMU ist ein Hardware-Bauteil. Relocation Register Hauptspeicher CPU logische physikalische Adresse Adresse MMU + 10

6 Speicherverwaltung (1) Was tun, wenn der Hauptspeicher nicht ausreicht? Teil des Speichers könnte auf die Platte ausgelagert werden. Platte ist größer, dafür langsamer als der Hauptspeicher. Mehrere Programme zugleich im Speicher CPU ist besser ausgelastet (Prozess wird exekutiert, während andere Prozesse auf I/O warten) Mehrere Programme exekutieren zugleich. Übersetzer, Editor, Debugger Textverarbeitungs-, Spreadsheet- und Zeichenprogramm Prozesse müssen untereinander vor unerlaubtem Speicherzugriff geschützt werden. Verwende virtuelle Adressen Werden wie herkömmliche Adressen verwendet Hardware übersetzt diese in physikalische Adressen. 11 Speicherverwaltung (2) 2 grundlegende Ansätze: Swapping virtueller Speicher Swapping jeder Prozess vollständig im Speicher läuft eine gewisse Zeit wird auf Hauptspeicher ausgelagert virtueller Speicher Teile eines Programms befinden sich im Speicher 12

7 Swapping (1) Prozess muss sich im Hauptspeicher befinden, bevor er exekutiert wird. Swapping: Transfer von vollständigem Prozess aus Hauptspeicher in den Plattenspeicher und umgekehrt Prozess kann temporär auf Plattenspeicher ausgelagert werden: Multitasking gute Ausnutzung der CPU Laufzeiten sollen im Vergleich zu den Swap-Intervallen lang sein. Betriebssystem muss jederzeit die Größe des dynamisch alloziierten Speichers eines Programmes kennen. Prozesse mit hoher Priorität haben Vorrang. Swapping ist teuer! Zu wenig Hauptspeicher Swap-Speicher der Platte ist separater (getrennt von Filesystem) Bereich, um Zugriffszeiten zu optimieren. Prozess wird wieder von Platte in Hauptspeicher kopiert. 14 Swapping (2) 15

8 Swapping Änderung der Speicherallokation Veränderung der Speicherallokation, wenn Prozess in den Hauptspeicher geladen wird Hauptspeicher verlässt Shaded regions are unused memory 16 Speicherverwaltung mit Bitmaps oder Freibereichslisten Teil eines Speichers mit 5 Prozessen und 3 Leerräumen Bit im Bitmap entspricht einer Einheit (Wörter, einige Kilobytes) freie Einheiten als schraffierte Flächen Bitmap versus verkettete Liste 17

9 Speicherverwaltung mit verketteten Listen Swapping dynamische Speicherblöcke Speichervergabe für dynamisch wachsende Datensegmente Speichervergabe für wachsenden Stack und Datensegmente

10 Problem: dynamische Speichervergabe Erfüllen einer Speicheranfrage von n Bytes unter Verwendung der Freibereichsliste First-fit: erster Freibereich, der groß genug ist Best-fit: kleinster Freibereich, der groß genug ist; gesamte Liste muss durchsucht werden; sortiere Freibereich nach der Größe. Worst-fit: größter Freibereich; muss gesamte Liste durchsuchen. First-fit und Best-fit sind besser als Worst-fit im Bezug auf Geschwindigkeit und Speicherverbrauch. 20 Swap-Space Wo befindet sich der Swap Space? Ist es ein normales File im File-System? Befindet es sich in einem speziellen Bereich auf der Platte? normales File einfache Lösung verhält sich wie ein File leicht zu ändern verwende herkömmliche Tools langsam wegen File-System-Overhead spezieller Plattenbereich Schneller Änderungen sind schwierig, da neuer Plattenbereich benötigt wird. 21

11 Paging Virtueller Speicher meist durch Paging implementiert Physikalischer Speicher (Haupt- und Plattenspeicher) wird in Blöcke (Frames - Seitenrahmen) gleicher Größe unterteilt. Logischer Speicher wird in Blöcke (Seiten) mit derselben Größe wie Frames unterteilt. Typische Seitengrößen liegen zwischen 512 Bytes und 16 MBytes Bei der Exekution eines Prozesses durch die CPU werden nur jene Seiten in den Speicher geladen, die tatsächlich verwendet werden. Zwischen Speicher und Platte werden immer ganze Seiten übertragen. Tabelle für die Adresskonvertierung von virtuellen in physikalis che Adressen Betrachte eine 32-Bit Adresse 4096 Byte Seiten (12 Bits für die Adressierung innerhalb der Seite) 2^20 Seiten (20 Bits) virtuelle Adresse 20 bits 12 bits Position Seiten- Tabelle Present Rd/Write + Hauptspeicher 22 Virtueller Speicher Paging The position and function of the MMU 23

12 Paging Relation zwischen virtuellen und physikalischen Adressen Seitentabellen MMU Adressumwandlung mit 16 4 KB Seiten

13 Vorteil der virtuellen Adressierung Programme können nicht zusammenhängende Bereiche eines physikalischen Speichers verwenden. Ein Programm kann nur auf seinen eigenen Speicherbereich (Seiten) zugreifen. Kann mehr virtuelle Seiten verwenden, als im physikalischen Speicher vorhanden sind. Seiten, die nicht in den Speicher passen, können auf der Platte gespeichert werden. Jedes Programm kann bei der (virtuellen) Adresse 0 beginnen. Größe des Speichers unwichtig aus der Sicht des Programmierers 26 Paging Benutzer- versus Systemsicht Unterschied zwischen Adressbereich den der Benutzer sieht, und dem tatsächlichen physikalischen Speicher Für den Benutzer: kontinuierlicher Speicher ohne Lücken Tatsächlich: Benutzerprogramm über physikalischen Speicher verstreut Hardware-Adressierungsmodus als Schnittstelle zwischen beiden Adressbereichen Paging nutzt den Speicher optimal aus, da Seiten nicht kontinuierlich im Speicher abgelegt sein müssen. 27

14 Paging Seitengrößen: Vor- u. Nachteile Normalerweise hat jeder Prozess seine eigene Seitentabelle. 1 Eintrag pro Seite, die der Prozess verwendet Betriebssystem verwaltet physikalischen Speicher. Seitengrößen mit Vor- und Nachteilen Prozesse benötigen nicht immer das Vielfache einer Seite als Speicher. Letzte Seite meist mit Redundanz Kleine Seitengrößen bedeuten weniger Redundanz. Je kleiner die Seiten, desto größer die Seitentabellen Mehr Aufwand für Verwaltung der Seitentabellen Transfer von Frames aus Plattenspeicher effizienter für große Seiten 28 Probleme mit Seitentabellen Eine Seitentabelle kann sehr groß werden Einträge für die meisten Programme. Wobei die meisten Einträge leer sind. Beachte, dass jeder Prozess eigene Seitentabelle hat. Lösung 1: Verwende eine Hierarchie von Seitentabellen (Pagen der Seitentabelle). Virtuelle Adresse 12 bits 10 bits Seitenverzeichnis Pg Tbl Ptr 10 bits Seitentabelle physik. Seitennr. + Hauptspeicher 29

15 Invertierte Seitentabellen Lösung 2: 1 Tabelle (invertierte Seitentabelle) für alle Prozesse statt eigener Tabelle für jeden Prozess Wenn eine Speicheradresse von CPU <prozess-id, seiten-nr, offset> angesprochen wird, so wird die invertierte Seitentabelle durchsucht (Hash-Funktion). Ein Eintrag pro Seite des physikalischen Speichers in inv. Tabelle <prozess-id, seiten-nr> Prozess-Id gibt an, wem die Seite gehört. Wenn ein Eintrag in der invertierten Seitentabelle gefunden wird, dann generiere die physikalische Adresse <i, offset>. Die invertierte Seitentabelle speichert keine Informationen über Seiten, die nicht im Hauptspeicher sind. Zugriffszeiten sind länger wegen Hash-Suchvorgang. 30 Invertierte Seitentabelle: Beispiel Physikal. Adr. CPU PID Seiten # Offset i Offset virtuelle Adr. Haupt- Speicher Hash Funktion 1 i invertierte Seitentabelle PID Seiten # 1 Seitentabelle pro System 31

16 Gemeinsamer Speicher Gemeinsame Verwendung von Seiten Mehrere Prozesse verwenden denselben Code oder dieselben Daten. Mehrere Seiten können mit dem selben Frame assoziiert sein. Bei read-only-daten ist das Teilen von Seiten immer sicher. Schreiboperationen auf gemeinsamen Seiten sind problematisch. Copy-on-write: Seiten werden häufig gemeinsam verwendet, bis ein Prozess eine Schreiboperation ausführt. Beim Schreiben einer gemeinsame Seite wird ein neuer Frame angelegt. Schreibender Prozess besitzt modifizierte Seite. Alle anderen Prozesse besitzen Originalseite. Synchronisiere Zugriff auf gemeinsame Seite. z.b. Semaphore 33