9) Speicherverwaltung

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1 Inhalte Speicherhierarchien Speicherzuteilung Adressbildung Lineare Adressbildung mit statischer/dynamischer Zuteilung (Segmentierung) Kompaktifizierung Lineare Adressbildung mit virtueller Adressierung und Verdrängung Verdrängungstrategie Zuteilungsstrategie Lade-/Nachschubstrategie Streuende Adressbildung (Paging) Trashing Quelle: Echtzeitsysteme, H. Wörn & U. Brinkschulte, Springer, 2005 Dr. Horst Hellbrück, Uni Lübeck, Vorlesung WS 2006 Seite 1

2 Speicherhierarchien Seite 2

3 Aufgaben des Speichermanagements Bereitstellung und Zuweisung des Speicherplatzes an die Prozesse (allocation). Einrichtung und Koordination von Speicherbereichen, die von mehreren Prozessen gemeinsam benutzt werden können (shared memory). Schutz der Informationen im Hauptspeicher vor fehlerhaften oder unbefugten Zugriffen: Mindestschutz durch zwei zusätzliche Register, die legalen Adressbereich für Programme festlegen: - Basisregister (Base register) enthält die kleinste legale physische Speicheradresse - Grenzregister (Limit register) enthält die Größe des Bereichs Seite 3

4 Speicherzuteilung Statische Speicherzuteilung: Die Zuteilung von Speicher an eine Task erfolgt, bevor die Task in den Zustand ablaufwillig versetzt wird. Die Speicherzuteilung wird zur Laufzeit nicht verändert. Dynamische Speicherzuteilung: Die Zuteilung von Speicher an eine Task erfolgt zur Laufzeit und kann sich jederzeit ändern. Nichtverdrängende Speicherzuteilung: Zugeteilter Speicher darf einer Task zur Laufzeit nicht wieder entzogen werden. Verdrängende Speicherzuteilung: Zugeteilter Speicher darf einer Task zur Laufzeit wieder entzogen werden, der Speicherinhalt wird auf den Peripheriespeicher ausgelagert. Seite 4

5 Adressbildung und Adressierung Reelle Adressierung (Folie 7ff): Ein kleiner logischer Adressraum wird auf einen größeren physikalischen Adressraum (definiert durch Adressbusbreite und physikalischen Hardwarespeicher, z.b. 32-Bit gleich max. 4 GB). D.h., der gesamte logische Adressraum für alle Tasks kann auf den vorhandenen physikalischen Speicher abgebildet werden. Virtuelle Adressierung (Folie 13ff): Ein größerer logischer Adressraum wird auf einen kleineren physikalischen Adressraum abgebildet. D.h., es müssen Verdrängungen stattfinden, um den Speicherbedarf aller Tasks zu befriedigen. Lineare Adressierung: Ein Block sequentieller Speicheradressen wird wieder geschlossen auf solch einen Block abgebildet. Benachbarte logische Adressen innerhalb eines solchen Blocks bleiben auch im physikalischen Adressraum benachbart. Streuende Adressierung (Folie 24ff) Ein Block sequentieller Speicheradressen wird in eine beliebige Reihenfolge übergeführt, logisch benachbarte Adressen müssen im physikalischen Adressraum nicht mehr benachbart sein. Lineare und streuende A. sind Hauptklassifizierungsmerkmale für Echtzeitsysteme Seite 5

6 Lineare Adressbildung unterteilt den Speicher in Segmente (Segmentierung) Der Hauptspeicher wird vom Betriebssystem in Segmente variabler Länge eingeteilt, die den Prozessen zugewiesen werden. Zur Verwaltung dienen Segmenttabellen. Segmente können verschiedene Zugriffsrechte besitzen, zwischen Prozessen geteilt werden oder bei Bedarf wachsen. Durch das Entfernen und Einfügen von Segmenten entstehen langfristig kleine unbenutzte Speicherbereiche (externe Fragmentierung). Beispiel: Seite 6

7 Lineare Adressbildung, stat. Zuteilung, reelle Adressierung, keine Verdrängung Physik. Adressraum Segment 1 (log. Adressraum Task 1) Segment 2 (log. Adressraum Task 2) Segment 3 (log. Adressraum Task 3) Tasks sind nicht an phys. Adressen gebunden Zugriff über Segmentgrenzen ist nicht möglich Ideal für Echtzeitsysteme, da Speicher vor Start der Tasks zugeteilt wird und Speicherzugriffszeit konstant ist und keine Speicherreorganisation existiert Zur Laufzeit keine Änderungen möglich Maximale Speicherreservierung, auch wenn Task variablen Speicherbedarf hat Ungeeignet, wenn Anzahl Tasks stark variiert; Tasks, die niemals gleichzeitig ablaufen, können sich keinen Speicher teilen, Hauptspeicher wird löchrig => externe Fragmentierung unbenutzt Abhilfe durch dynamische Speicherzuteilung! Seite 7

8 Physik. Adressraum DHBW Stuttgart, Studiengang Elektrotechnik, 5. HJ, Vorlesung: Realzeitsysteme Sep 2015 Lineare Adressbildung, dyn. Zuteilung, reelle Adressierung, keine Verdrängung Task3 wird ablaufwillig Task2 wird beendet Task4 wird ablaufwillig Segment 1 Task 1 32kB Segment 1 Task 1 32kB Segment 1 Task 1 32kB Segment 1 Task 1 32kB Segment 2 Task 2 48kB Segment 2 Task 2 48kB unbenutzt Segment4 Task 4 20kB unbenutzt Unbenutzt 48kB Segment3 Task 3 30kB Segment3 Task 3 30kB Segment3 Task 3 30kB unbenutzt unbenutzt unbenutzt Seite 8

9 Lineare Adressbildung, dyn. Zuteilung, reelle Adressierung, keine Verdrängung Tasks können sich physikalischen Speicher teilen (Task2 und Task4) Zuteilungsaufwand steigt Wenn keine Verdrängung und keine Änderung der Segmentgröße zur Laufzeit, dann ist die Zugriffszeit konstant und somit das Verfahren für Echtzeitsysteme geeignet. Problem des löchrigen Speichers bleibt, kann jedoch durch Garbage Collection (Kompaktifizierung) gelöst werden Echtzeitsysteme verzichten oft auf Garbage Collection In Java gibt es echtzeitfähige Speicherbereinigungsverfahren (kleine Schritte) Das Problem dynamischer Task-Größen erfordert häufig ebenfalls aufwändige Speicherbereinigungsverfahren, da oft nachfolgende Segmente verschoben werden müssen. Abhilfe durch streuende Adressbildung! Seite 9

10 Durch das Verschieben von Segmenten im Speicher können viele kleine Löcher zu einem großen Stück freien Speichers zusammengefügt werden (Kompaktifizierung, compaction, garbage collection). Kompaktifizierung setzt voraus, dass die Adressen dynamisch abgebildet werden. Die Suche nach einer optimalen Kompaktifizierungsstrategie ist schwierig. Kompaktifizierung benötigt viel CPU-Zeit Über Bitmaps (b) oder verkettete Listen (c) werden die Speicher verwaltet: Seite 10

11 Übung zum Thema Kompaktifizierung: Welche der 3 Auf der nächsten Seite angegebenen Kompaktifizierungen ist die optimale: 1, 2 oder 3? Verschiebungen von der Ausgangssituation zu den jeweiligen alternativen Endsituationen. 0K 300K 500K 600K 1000K 1200K 1500K 1900K 2100K Berechnen Sie dazu die notwendigen Speicherplatz- Betriebssystem P1 P2 400K P3 300K P4 200K Ausgangssituation Seite 11

12 Beispiele für Kompaktifizierung 0K 300K 500K 600K 1000K 1200K 0K 300K 300K P1 P1 P1 P2 500K 500K 600K P2 600K P2 P3 1000K 1200K 1) 2) 3) P4 P4 P3 0K 1000K 1200K Betriebssystem Betriebssystem Betriebssystem 900K 1500K 900K 1500K 900K 1500K P4 1900K 2100K 1900K 1900K P3 2100K 2100K??K verschoben??k verschoben??k Seite verschoben 12

13 Lineare Adressbildung mit virtueller Adressierung und Verdrängung Idee (Fotheringham, 1961): Ist ein Programm größer als der zur Verfügung stehende Hauptspeicher, dann halte immer nur die aktuell notwendigen Teile im Speicher und lade andere Teile bei Bedarf nach (Virtual Memory) Zweistufiges Adressensystem: virtuelle Adressen, die die Programme benutzen, werden von der Memory Management Unit in physikalische Adressen umgewandelt und dann erst an den Speicher gegeben 4 Tasks konkurrieren um physikalischen Speicher Task 2 und 3 sind auf den Peripheriespeicher (Festplatte) ausgelagert (verdrängt) Seite 13

14 Auslagerung (Swapping) Der komplette Adressraum eines Prozesses wird beim Prozesswechsel auf den Hintergrundspeicher ausgelagert und ein anderer Adressraum eingelagert. Ist im Betriebssystem ohne weitere Hardware-Unterstützung zu realisieren. Extrem aufwändige Prozesswechsel, da die Zugriffszeiten auf den Hintergrundspeicher im allgemeinen um Größenordnungen langsamer sind als Zugriffe auf den Hauptspeicher. Wurde von MS Windows 3.* benutzt, um Prozesse auszulagern. Wird bei UNIX-Systemen benutzt, um bei einer Überbelegung des Hauptspeichers einigen Prozessen das Betriebsmittel Hauptspeicher zwangsweise zu entziehen. Betriebssystem Benutzerprogrammbereich Hauptspeicher swap out swap in P1 P2 Festplatte Seite 14

15 Verdrängung erfordert drei Strategien: Verdrängungsstrategie für die Wahl der zu verdrängenden Task Zuteilungsstrategie zur Beantwortung der Frage, wohin ein Segment in den physikalischen Speicher eingelagert wird Nachschubstrategie beantwortet die Frage, wann ein Segment in den Hauptspeicher eingelagert wird. Seite 15

16 Verdrängungs-/Ersetzungsstrategien (replacement algorithm) bestimmen, welche der Segmente ausgelagert werden: First In First Out (FIFO): Das sich am längsten im physikalischen Hauptspeicher befindende Segment wird verdrängt. Diese Strategie ist einfach zu realisieren, zieht jedoch die Benutzungsstatistik der Segmente nicht in Betracht. Least Recently Used (LRU): Das am längsten nicht mehr benutzte Segment wird verdrängt; wirkungsvoll, jedoch aufwändiger als FIFO. Least Frequently Used (LFU): Das am seltensten benutzte Segment wird verdrängt; auch wirkungsvoll. Ist für mehrere Seiten die gleiche Nutzungshäufigkeit aufgetreten, wird die älteste dieser Seiten zuerst ausgetauscht. Für Echtzeitbetriebssysteme: Möglichkeit zum Verriegeln von Tasks (Task Locks), d.h. keine Verdrängung für spezielle Tasks => für diese Tasks können kurze Zugriffszeiten garantiert werden => für die anderen Tasks müssen Wartezeiten in Kauf genommen werden Seite 16

17 Positionierungs-/Zuteilungsstrategien zum Finden eines passenden Segments, wenn ein neuer Prozess Speicher anfordert: best fit: Auswahl des kleinsten Loches, das das Segment aufnehmen kann. Diese Strategie lässt einerseits große Löcher lange bestehen, während sie andererseits eine Vielzahl kleiner und nutzloser Überreste erzeugt. worst fit: Auswahl des jeweils größten Loches. Dieses Verfahren tendiert dazu, alle Löcher auf etwa die gleiche Länge zu bringen, die dann aber eventuell zu klein zur Aufnahme eines bestimmten Segments sein kann. first fit: Auswahl des ersten hinreichend großen Loches. Dieses Verfahren liegt in seinem Verhalten zwischen den beiden anderen und ist sehr effizient. next fit: Variation von first fit. Um zu verhindern, dass sich Löcher einer bestimmten Größe an einer Stelle des Speichers häufen, beginnt jede Suche am Ende der vorherigen Suche (nächstes freies Feld). Der Speicher wird also ringförmig durchsucht. buddy system: Die Löcher werden in k Listen so einsortiert, dass die i-te Liste jeweils Löcher der Länge größer gleich 2i für i=1,...,k enthält. Dabei können zwei benachbarte Löcher der i-ten Liste effizient zu einem Loch der i+1-ten Liste zusammengefügt werden. Umgekehrt kann ein Loch der i-ten Liste einfach in zwei Löcher der i-1-ten Liste aufgeteilt werden. Seite 17

18 Positionierungs-/Zuteilungsstrategien Übung: Gegeben sei folgende Belegung eines Speichers mit Lücken der Größe 200, 100 und 300 kb. Wie sieht der obige Speicher aus, wenn nacheinander vier Anforderungen der Größe 50, 150,100 und 300 kb ankommen? Notieren Sie für jede der vier Zuteilungsstrategien (first fit (s.u.), next fit, best fit und worst fit) die freien Speicherbereiche nach jeder Anforderung für die obige Belegung und geben Sie an, für welche Strategien die Anforderungen erfüllt werden können. Beachten Sie, dass die Daten jeweils linksbündig in einer Lücke abgelegt und einmal belegte Speicherbereiche nicht wieder freigegeben werden. Bei next fit ist die Position immer am Ende der vorherigen freien Platzierung, d.h. direkt vor dem Belegt-Feld. 50 belegt belegt belegt belegt belegt 100 belegt belegt 100 belegt 300 Lösung für first fit Seite 18

19 Standard-Zuteilungsstrategien sind: first fit (erste passende Stelle) best fit (am besten passende Stelle) worst fit (größte passende Stelle) best fit verringert das Problem von löchrigem Arbeitsspeicher, benötigt aber mehr Rechenzeit als first fit, da alle freien Segmente geprüft werden müssen first fit ist hingegen im Zeitverhalten wenig vorhersagbar, da unbekannt ist, wann das erste passende Element gefunden wird. worst fit und best fit benötigen dieselbe Rechenzeit, da der ganze Hauptspeicher durchsucht wird => best fit ist langsamer als first fit, aber für Echtzeitsysteme besser vorhersagbar Seite 19

20 Lade-/Nachschubstrategien bestimmen, wann Seiten/Segmente in den Hauptspeicher geladen werden, Standard Strategien: verlangend (demand fetch, demand paging): Ein Segment einer Task wird eingelagert, wenn es benötigt wird (z.b. Task kommt in den Zustand laufend) vorausschauend (anticipatory fetch, pre-paging): Es werden Kenntnisse über das Taskverhalten benutzt, um spekulativ Segmente vorab einzulagern => höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, aber schlecht vorhersagbares Zeitverhalten, für Echtzeitsysteme problematisch In der Praxis dominiert demand paging, obwohl dies bei Transportkosten, die nicht monoton mit der Anzahl der transportierten Seiten wachsen, nicht optimal ist. Seite 20

21 Durch die Verdrängung müssen auch die Task-Zustände ruhend und bereit in zwei Teilzustände aufgeteilt werden: Ruhend und im Arbeitsspeicher Ruhend und verdrängt Bereit und im Arbeitsspeicher Bereit und verdrängt Seite 21

22 Streuende Adressbildung Der physikalische Speicher wird in Kacheln (frames) fester Größe eingeteilt. Der logische Adressraum wird in Seiten (pages) gleicher Größe eingeteilt (streuende Adressbildung), Seiten sind kurze Segmente konstanter Länge. Logische Adressen werden in eine Seitennummer (page number) und eine seitenrelative Adresse (page offset) aufgeteilt. Eine Umsetzungstabelle (page table) bildet die Seiten auf die verfügbaren Kacheln ab. Die Seiten eines Adressraums können beliebig auf die verfügbaren Kacheln verteilt sein. Seite 22

23 Page Tables = Umsetzungstabellen In der Seitentabelle gibt der Index die Nummer der virtuellen Seite an; der Tabelleneintrag gibt dann die zugehörige physikalische Seite an. Ein spezielles Bit gibt an, ob die virtuelle Seite vorhanden ist. Seite 23

24 Beispiele und Übung zu den Verdrängungs-/Ersetzungsstrategien bei streuender Adressbildung First In First Out (FIFO): Es wird die Seite ersetzt, die bereits am längsten im Speicher steht. Least Recently Used (LRU): Es wird die Seite ersetzt, auf die am längsten nicht mehr zugegriffen wurde. Least Frequently Used (LFU): Es wird die Seite ersetzt, auf die am wenigsten zugegriffen wurde. Beladys Optimalalgorithmus (BO): Es wird die Seite ersetzt, auf die in der Zukunft am längsten nicht zugegriffen wird (Realisierbarkeit?). Second Chance (SC): Es wird wie beim FIFO ersetzt. Allerdings werden Seiten übersprungen, auf die seit dem letzten Seitenfehler zugegriffen wurde, sofern es Seiten gibt, auf die nicht zugegriffen wurde. Zusätzlich wird oftmals betrachtet, ob die Seite modifiziert wurde oder nicht, da eine unmodifizierte Seite nicht auf dem Hintergrundspeicher gesichert werden muss. Definitionen: W = Referenzstring, d.h. Seiten werden nacheinander aufgerufen und in den Hauptspeicher transferiert m = max. Anzahl von Seiten im Hauptspeicher (Speichergröße) Seite 24

25 Beispiel 1 für Least Recently Used (LRU): Es wird die Seite ersetzt, auf die am längsten nicht mehr zugegriffen wurde = w (Referenzstring) (19 Seitenfehler bei m=1) Speichergröße m=4; 12 Seitenfehler Beispiel 2 für Beladys Optimalalgorithmus (BO): Es wird die Seite ersetzt, auf die in der Zukunft am längsten nicht zugegriffen wird = w (13 Seitenfehler: gilt bei m=1) m=3; 8 Seitenfehler Übung: Wieviele Seitenfehler gibts beim Beispiel 1 für den BO? Seite 25

26 Beladys Anomalie (FIFO-Anomalie) Intuitiv erwartet man, dass sich Seitenfehler reduzieren, wenn man den verfügbaren Hauptspeicher vergrößert. Folgendes Beispiel: Referenzstring (Folge von Seitenaufrufen) w = und FIFO Ersetzungsstrategie: (13 Seitenfehler gilt bei m=1) Speichergröße m=3; 10 Seitenfehler Speichergröße m=4; 11 Seitenfehler Seite 26

27 Eigenschaften des Paging (vorteilhafte Echtzeiteigenschaften) Keine externe Fragmentierung, da wegen der konstanten, kleinen Seitengröße keine Löcher im Speicher entstehen. Es ist keine Zuteilungsstrategie wie bei den Segmenten der linearen Adressbildung erforderlich, ideal für Echtzeit, da das Auffinden einer freien Kachel extrem kurz ist. Bei virtueller Adressierung mit Verdrängung sind daher nur Verdrängungs- und Nachschubstrategie erforderlich, Zuteilungsstrategie entfällt. Dynamische Änderung der Taskgröße ist einfach, da den zusätzlich benötigten Seiten die nächsten freien Kacheln zugewiesen werden können. Gemeinsamer Speicher lässt sich mit Hilfe von gemeinsamen Seiten realisieren. Granularität ist feiner als bei der Segmentierung, bei der immer das gesamte Segment betroffen ist: Häufig benutzte Seiten werden eingelagert, selten benutzte Seiten können verdrängt werden. Wenn Echtzeittasks vor der Auslagerung geschützt werden müssen, werden beim Paging nur einzelne Seiten verriegelt. Seite 27

28 Eigenschaften des Paging (nachteilige Echtzeiteigenschaften) Die letzte Seite eines logischen Adressraums wird normalerweise nicht vollständig genutzt (interne Fragmentierung), da die Taskgröße meistens kein ganzzahliges Vielfaches der Seitengröße ist. Und wir benötigen eine Umsetzungstabelle page table, die wegen der kleinen Seitengröße sehr groß werden kann (32-Bit Adressen erfordern bei einer Seitengröße von 4096 Bytes eine Tabelle mit ca. 1 Million Einträgen.) Wegen der feineren Granularität gibt es bei Verdrängung viel Datentransfer. Weitere Eigenschaften: Speicherschutz wird durch Schutzbits realisiert. Weitere Bits geben an, ob eine Kachel gültig ist (valid) oder ob eine Kachel modifiziert wurde (modified). Es muss nicht der gesamte Adressraum eines Prozesses im Speicher sein, um ihn auszuführen. Zugriffe auf nicht geladene Seiten lösen einen Seitenfehler (page fault) aus. Das Betriebssystem behandelt Seitenfehler, indem es die benötigte Seite in eine freie Kachel einlagert und den Befehl, der den Seitenfehler auslöste, neu startet. Seite 28

29 Thrashing Das Betriebssystem ist damit beschäftigt Speicherkacheln ein- und auszulagern Wenn ein Prozess nicht genug Speicher hat, dann steigt die Fehlerrate für Seitenzugriffe stark an. Dies führt zu: geringer CPU Ausnutzung. Betriebssystem glaubt, dass es mehr Prozesse zulassen könnte und startet evtl. weitere Prozesse. Seite 29

30 Übungen: Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Statischer und dynamischer Speicherzuteilung Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Verdrängender und nicht verdrängender Speicherzuteilung Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Reeller und virtueller Adressierung Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Linearer und streuender Adressbildung Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Swapping und Paging? Seite 30