wichtigstes Betriebsmittel - neben dem Prozessor: Speicher

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1 Speicherverwaltung Aufgaben der Speicherverwaltung wichtigstes Betriebsmittel - neben dem Prozessor: Speicher Sowohl die ausführbaren Programme selbst als auch deren Daten werden in verschiedenen Speicherbereichen gehalten (auch das Betriebssystem!). daher weitere zentrale Aufgabe des Betriebssystems: Speicherverwaltung Speicherverwaltung Aufgaben der Speicherverwaltung: Verwaltung der freien und belegten Speicherbereiche Zuweisung ("Allokation") und Entzug von Speicherbereichen an Prozesse Datenaustausch zwischen Haupt- und Hintergrundspeichern Umsetzung von logischen in physische Adressen Quellen zu diesem Abschnitt: Tanenbaum-Buch: Kapitel 3 (speziell , 3.7) Buch v. Oberschelp/Vossen: Kapitel (sehr kurz) 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 2 Speicherhierarchie Mismatch Speicherbedarf Hauptspeichergröße 1. Problem für Speicherverwaltung: Daten und Programme liegen nicht in einheitlichem, zusammenhängendem Speicher, sondern sind auf verschieden große und verschieden schnelle Speicherschichten verteilt: Speicherbedarf der Anwenderprogramme schnell, klein, teuer Cache Hauptspeicher (Halbleiter) im Prozessor langsam, groß, billig >> Hauptspeicher Sekundärspeicher (Festplatte) Tertiärspeicher (Band) externe Speichermedien 2. Problem: Speicherbedarf der Prozesse ist oft schon individuell viel größer als die Hauptspeichergröße. (Gesamtspeicherbedarf bei Multiprogramming sowieso!) Hintergrundspeicher 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 4

2 Prinzip des virtuellen Speichers Virtueller und physischer Adressraum Speicherhierarchie schafft "Illusion" eines (fast) beliebig grossen Speichers: virtueller Speicher Stets steht nur ein Bruchteil des virtuellen Speichers auch tatsächlich im Hauptspeicher zur Verfügung (und davon wieder nur ein ganz kleiner Anteil im Cache). "virtueller Adressraum" A virtuell A physisch "physischer Adressraum" Bei Bedarf müssen Teile des virtuellen Speichers von Hintergrundspeichern in den Hauptspeicher bzw. sogar in den Cache geholt und dafür u.u. andere Speicherinhalte wieder ausgelagert werden: Swapping (engl. "to swap": tauschen) Anwenderprogramm Betriebssystem Eine der Hauptaufgaben eines Betriebssystems besteht in der Realisierung dieser "Illusion des virtuellen Speichers" durch möglichst effizientes Ein- und Auslagern aktuell gebrauchter Daten. Die Speicherverwaltung im Betriebssystem setzt logische (virtuelle) Adressen mittels Umsetztabellen ("memory maps") in physische Adressen um Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 6 Speicherorganisation auf Seitenbasis Seitentabelle Der physische Speicher wird in Rahmen ("frames") fester Größe (z.b. 2 bis 4 KB) eingeteilt. Beispiel einer Seitentabelle ohne relative Adressierung (Seitengröße 2 KB): Der logische Adressraum wird in Seiten ("pages") gleicher Größe unterteilt. Logische Adressen werden in eine Seitennummer ("page number") und eine relative Adresse innerhalb der Seite ("page offset") aufgeteilt. Die Umsetzung von logischen in physische Adressen wird mittels einer Seitentabelle ("page table") vorgenommen, die damit das "memory map" realisiert. Die Seiten eines Adressraums können beliebig auf die verfügbaren Rahmen verteilt sein. Seiten stellen die kleinsten Transfereinheiten zwischen den Schichten der Speicherhierarchie dar. Die Seitenzahl im virtuellen Adressraum ist i.a. eine Zweierpotenz Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 7 diese Folie: W. Oberschelp, G. Vossen 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 8

3 Exkurs: Speichergrössen Paging: Prinzip Was Sie schon immer wissen wollten und nie zu fragen wagten... Hintergrundspeicher Speichergrössen werden i.a. in Vielfachen der kleinsten addressierbaren Einheit 'Byte' (= 8 Bit) angegeben: Hauptspeicher 1 KB Kilo-Byte 2 10 = (1 Tausend) Byte 1 MB Mega-Byte 2 20 = (1 Million) Byte 1 GB Giga-Byte (1 Milliarde) Byte 1 TB Tera-Byte (1 Billion) Byte (statt KB oft auch nur einfach K) Das Austauschen von Seiten zwischen Haupt- und Hintergrundspeicher (bzw. Cache und Hauptspeicher) nennt man Paging Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 10 Paging und Seitenfehler Paging-Strategien Ist eine Seite, die der aktive Prozess braucht, nicht im Hauptspeicher, dann löst dieser Zugriffsversuch einen Seitenfehler ("page fault") aus. Behandlung von Seitenfehlern durch das Betriebssystem: Sichere Register des betroffenen Prozesses und blockiere ihn! Ermittle Adresse der fehlenden Seite! Wähle freien Rahmen aus bzw. wenn keiner existiert einen belegten! Sichere ggf. belegten Rahmen im Hintergrundspeicher! Führe Prozesswechsel herbei, wenn es rechenbereite Prozesse gibt! Lade benötigte Seite aus dem Hintergrundspeicher in den Rahmen! Aktualisiere die Umsetzungstabelle! Wecke den betroffenen Prozess und füge ihn in die "ready queue" ein! Paging ist also stets ein aufwendiger Schritt, der oft beträchtliche Anteile an Rechenzeit verbraucht: Optimierungsproblem! In Extremfällen kann der Rechner vorwiegend mit Seitenwechseln beschäftigt sein: "thrashing" (engl.: Prügel, komplette Niederlage) Das "Paging" (Seitenaustausch) ist - genauso wie ein Prozessaustausch - für den Nutzer transparent (d.h. wird von ihm nicht bemerkt). Es gibt verschiedene generelle Strategien, wann Paging stattfinden soll: Demand Paging: Seiten werden nur dann gewechselt, wenn auf sie aktuell zugegriffen werden soll. Pre-Paging: Seiten werden ausgetauscht, auf die in der Zukunft ein Zugriff erwartet wird. Page Clustering: Mehrere zusammengehörende Seiten werden gemeinsam ausgetauscht. Swapping: Speziellere Bedeutung des Begriffs als Austausch aller Seiten eines Prozesses. In der Praxis wird meist Demand Paging verwendet, auch wenn diese Strategie nicht immer optimal ist Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 12

4 Seitenersetzungsstrategien Segmentierung Seitenersetzungsstrategien ("replacement strategies") legen fest, welche der belegten Seiten ausgelagert werden, wenn Paging einzuleiten ist. Lokale Strategien weisen jedem Prozess eine konstante Zahl von Seiten zu und lagern nur Seiten des gerade "betroffenen" Prozesses aus. Globale Strategien nutzen den gesamten Speicher und können auch anderen Prozessen die eingelagerten Seiten "stehlen". Im Mehrprogrammbetrieb werden oft den einzelnen Prozessen eigene Bereiche variabler Länge im logischen Adressraum (d.h. des virtuellen Speichers) zugewiesen: Segmente, Segmentierung dabei: Unterteilung des virtuellen Adressraums in mehrere Dimensionen Jeder Prozess erhält seinen eigenen (Anteil des) virtuellen Adressraum(s). BS häufig verwendete Seitenersetzungsstrategien: FIFO (First In First Out): Seite, die am längsten im Speicher war LRU (Least Recently Used): Seite, die am längsten nicht mehr zugegriffen wurde LFU (Least Frequently Used): Seite, die am seltensten zugegriffen wurde frei P1 P2 P3 P4 Segmente für Prozesse Nicht veränderte Seiten können natürlich ohne Auslagern ersetzt werden Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 14 Fragmentierung Positionierungsstrategien für Segmente Durch Entfernen und Einfügen von Segmenten entstehen langfristig immer mehr kleine, unbenutzte Speicherbereiche (Fragmentierung) P1 P2 P3 P4 BS BS "Löcher" Der Grad der Fragmentierung hängt ab sowohl von den Anforderungen der einzelnen Prozesse als auch von der gewählten Positionierungsstrategie für Segmente: best fit: Auswahl des kleinsten Lochs, das das Segment aufnehmen kann worst fit: Auswahl des aktuell größten Lochs first fit: Auswahl des ersten hinreichend großen Lochs next fit: wie first fit, aber Suche beginnt am Ende des zuletzt ausgewählten Lochs (engl.: "to fit" - passen, "best" - am besten, "worst" - am schlechtesten, "first" - als erstes, "next" - als nächstes) Welche Strategie? best fit: große Löcher leben lang, viele nutzlose Reste worst fit: alle Löcher irgendwann gleich lang, aber zu klein für die meisten Segmente first bzw. next fit: meist deutlich effizienter 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 16

5 Kompaktifizierung Segmentierung mit Paging Durch das Verschieben von Segmenten lassen sich viele kleine "Löcher" zu einem grösseren, zusammenhängenden Bereich von Segmenten verbinden: Kompaktifizierung ("compaction") Optimale Kompaktifizierungsstrategien sind nicht leicht zu finden! BS BS BS 400 K 250 K 250 K 100 K 650 K 650 K 350 K verschoben 250 K verschoben Segmentierung bedeutet Einteilung des virtuellen Speichers in verschiedene feste Bereiche für jeden Prozess. Die Segmentierung kann in vielen Programmiersprachen vom Programmierer beeinflusst werden. Paging bedeutet Einteilung von virtuellem und physischem Speicher in Bereiche, die - unabhängig von den einzelnen Prozessgrenzen - vom Betriebssystem ein- und ausgelagert werden. Paging ist im Gegensatz zu Segmentierung nie vom Programmierer zu beeinflussen ("transparente Operation") Häufig werden aber Segmentierung und Paging kombiniert, so dass eine zweistufige Adressierung entsteht (Segmenttabellen, Seitentabellen) 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 18 Adressumsetzung bei einer Segmentierung Adressumsetzung beim PowerPC Segmentnummer Seitennummer Offset Adressumsetzung bei Kombination von Segmentierung und Paging beim PowerPC: Unterscheidung logische und virtuelle Adresse weitere Indirektion durch Segmentregister Unified Translation Lookaside Buffer diese Folie: W. Oberschelp, G. Vossen 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 19 diese Folie: W. Oberschelp, G. Vossen 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 20

6 Schlussbemerkungen Resümee des Abschnitts: Speicherverwaltung ist ein strategisch kritische Aufgabe des Betriebssystems, die zum "Desaster" führen (thrashing!) kann, wenn sie nicht durch einen sehr geschickten Mix von verschiedenen Strategien effizient bewältigt wird. Gute Speicherverwaltung ist eine Kunst! natürlich wieder: Auch zu dieser Thematik gäbe es noch "unendlich viel mehr" an Details zu sagen, die aus Zeitgründen wegfallen müssen Vorlesung "Betriebssysteme" im Hauptstudium 2002 Prof. Dr. Rainer Manthey Informatik II 21