Memoria Virtual

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Memoria Virtual
Emely Arráiz Ene-Mar 08

• Fundamentos
• Paginación por demanda
• Algoritmos de Reemplazo
• Asignación de Frames
• Thrashing

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Fundamentos

• Solo parte del programa necesita estar en memoria
  para su ejecución.
• Espacio de direcciones lógicas puede ser más
  grande que el espacio físico.
• Hace falta sacar páginas de memoria a área de
  swap.
• Memoria Virtual puede ser implementado por
• Demanda de páginas.
• Demanda de segmentos.

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Paginación por demanda

• Se llevan páginas a memoria sólo cuando se
  necesiten.
• Ventajas
• menos memoria necesitada por proceso
• menos tiempo de I/O
• más proceso atendidos
• Una página debe ser referenciada para ser usada
• si la referencia es inválida entonces abort
• si no está en memoria, buscarla y llevarla a
  memoria

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Memoria Virtual

p
a
g
e
0
p
a
g
e
1
p
a
g
e
2
Memoria Fisica
Tabla de Pagina
p
a
g
e
n
Memoria Virtual
a
5
Bit de Valido/Invalido

• Cada entrada de la tabla de página tiene asociado
  el bit de valido/invalido
• bit 1 entonces página en memoria.
• bit 0 entonces página NO en memoria.
• Inicialmente todas las entrada tienen su bit
  inicializado en 0.
• Si durante la translación de dirección el bit de
  valido/invalido esta apagado (0) entonces ocurre
  un fallo de página o page fault.

6
Bit Valido/invalido

0
1
A
0
Bit V
2
f
r
a
m
e
B
1
3
C
2
B
A
D
4
0
1
3
4
A
E
C
E
D
4
1
0
5
F
5
1
2
6
G
H
F
C
6
6
G
0
3
H
7
7
0
4
L
o
g
i
c
a
l
9
1
5
8
M
e
m
o
r
y
0
6
F
9
0
7
1
0
P
a
g
e
P
h
y
s
i
c
a
l
T
a
b
l
e
M
e
m
o
r
y
a
7
Fallo de página

• La primera referencia causará un fallo de página
• Chequea si la referencia es válida o no
• Si es válida y la página no está en memoria se
  debe traer.
• Encontrar frame libre
• Ordenar al disco leer y llevar la página al frame
  escogido.
• Actualizar la tabla de páginas, bit V1.
• Reiniciar la instrucción que causó el fallo

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Reemplazo de Página

• Que sucede si no hay frame libre?
• Encontrar un frame en memoria que pueda sacarse a
  área de swap (disco).
• Hace falta un algoritmo para reemplazo de páginas
• Queremos un algoritmo que tenga buen desempeño,
  es decir un algoritmo que resulte en el menor
  número de fallos de páginas

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Tiempo de Acceso Efectivo

• Sea p la probabilidad de fallo de página.
• PF denota page fault
• TAE (1-p)Tacc mem p( Tiempo servicio del
  PF )?

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Reemplazo de Página

• Si no hay frames libres la rutina de servicio del
  fallo de página debe ser modificada en forma tal
  que incluya reemplazo de página.
• Dicha modificación debe ser tal que no aumente en
  promedio el tiempo de atención de un page fault.
• Usar bit de modificado o bit de dirty para
  reducir el overhead de transferencia de la página
• Sólo hace falta escribir a disco aquellas páginas
  que han sido modificada.

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Algoritmos de Reemplazo

• Queremos algoritmos con baja tasa de Page fault
• Cómo evaluamos los algoritmos?
• Los algoritmos se corren con un particular string
  de referencia a memoria y contamos el número de
  page fault que provoca.
• String de referencia a usar como ejemplo
• 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5

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a
a
a
a
a
a
a
Algoritmos de Reemplazo

• FIFO (First-In-First-Out)?
• 3 frames disponibles
• string de referencia 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5

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a
a
a
a
a
a
a
Algoritmos de Reemplazo

• FIFO (First-In-First-Out)?
• 4 frames disponibles
• string de referencia 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5

Anomalia de Baladys Mas frames no implica menos
Fallos de Páginas.
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Algoritmos de Reemplazo

• Óptimo
• Reemplazar la página que no se usará por largo
  período de tiempo.
• 4 frames disponibles
• string de referencia 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5

5
4
4 2 6 PF
15

Algoritmos de Reemplazo

• Optimo
• Cómo se puede conocer dicha información?
• No se puede conocer. El SO no tiene forma de
  conocer los eventos futuros.
• Por que se estudia?
• Como medida de referencia o comparación con los
  otros algoritmos.

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Algoritmos de Reemplazo

• LRU
• Reemplazar la página que no ha sido referenciada
  por más largo tiempo.
• 4 frames disponibles
• string de referencia 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5

3
3
4
4 2 2 8 PF
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LRU implementación

• Contador cada página tiene un contador. Cada vez
  que la página es referenciada, se copia el clock
  en el contador.
• Cuando se necesita buscar una página para
  reemplazo, se ven los contadores para determinar
  la que tiene el contador mas bajo.
• Desventaja overhead.

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LRU implementación

• Stack lleva en la pila el número de la página
  referenciada
• La página referenciada es movida al tope de la
  pila
• Puede ser implementada por medio de una lista
  doblemente enlazada.
• Cada actualización del tope requiere en promedio
  la actualización de 6 pointers
• La página a reemplazar está en el bottom de la
  pila.

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LRU implementación

• Implementación de LRU necesita gran apoyo del
  hardware.
• Pocos sistemas proveen tal soporte
• Otros algoritmos deben ser usados.
• Muchos sistemas soportan el bit de referencia.
• Asociado a cada página, el bit de referencia es
  actualizado por hardware al momento en que la
  página es referenciada.
• Instrucciones especiales para el manejo del bit
  de referencia.

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Aproximación a LRU

• Bit de Referencia
• A cada página se le asocia un bit, inicializado
  en 0
• Cuando la página es referenciada el bit es
  colocado en 1.
• Reemplazar una página con bit en 0.
• Usar 8-bits
• guardar historia de los accesos a cada página
• hardware actualiza los bits.
• No garantiza páginas únicas
• sol sacarlas todas.
• FIFO

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Second Chance

• Second Chance
• Es básicamente el FIFO pero con bit de
  referencia
• FIFO me dá la página posible a reemplazar
• Examinamos el bit de referencia
• Si bit R 1 entonces
• se limpia el bit de referencia
• se deja la página en memoria, segundo chance
• se busca la siguiente víctima. Bajo las mismas
  reglas que antes.
• Si bit R 0 entonces la página es la victima
• Si llegamos a la última página en la revisión,
  continuamos la revisión por la primera.

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Otros Algoritmos

• Algoritmos que usan contador con el número de
  referencias a cada página
• LFU (Least Frequently Used)?
• reemplaza la página con el contador mas pequeño
• Para solventar la situación de tener contadores
  altos y no se está usando la página, se usa
  decrementar a intervalos regulares los contadores
  de páginas
• MFU (Most Frequently Used)?
• reemplaza la página con el contador mas grande.
  Se basa en la hipótesis de que la página con el
  contador mas bajo son las que todavía no han sido
  usadas.

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Clases de Páginas

• Se define clases de páginas
• Clase Características
• 0 (0,0) no referenciada,
  no modificada
• 1 (0,1) no referenciada,
  modificada
• 2 (1,0) referenciada, no
  modificada
• 3 (1,1) referenciada,
  modificada
• Se reemplaza aquella página que pertenezca a la
  menor clase. Si existen muchas, se elige alguna
  política de selección. Ej. FIFO, Random, etc.

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Asignación de Frames

• Como distribuir los frames libres a los procesos?
• Asignación fija
• Asignación por prioridades.
• Cada proceso necesita un número mínimo de frames
  para su ejecución.
• El mínimo número de frames a asignar está
  determinado por el set de instrucciones de la
  arquitectura.

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Asignación

• Equitativa si M frames y N procesos el número de
  frames asignados es igual a M/N.
• Proporcional se le asigna una cantidad de frames
  que es proporcional a su tamaño.
• si tamaño del proceso Pi
• S sumatoria(si)?
• m número total de frames.
• fi ( si / S )m

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Asignación

• Se puede pensar en un esquema como el
  proporcional pero en lugar de usar el tamaño se
  toma en cuenta la prioridad.
• Otro enfoque para cambiar el número de frames de
  un proceso es
• Cuando un PF
• usar para reemplazo uno de los frames del proceso
• usar para reemplazo frames de procesos con
  prioridad menor que la del mismo.

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Asignación Global/local

• Reemplazo Global el frame a reemplazar es tomado
  del conjunto de frames que se tiene. Un proceso
  puede tener frames de otros procesos.
• Reemplazo Local solo se pueden seleccionar
  frames de los propios del procesos.

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Thrashing

• Muy Alta actividad de paginación. El proceso
  emplea mas tiempo en estar paginandose que
  ejecutandose.
• Esto conduce a
• bajo utilización de CPU
• SO concluye que debe aumentar su nivel de
  multiprogramación.
• SO suma otro proceso al sistema
• Thrashing es equivalente a tener el proceso
  ocupado en swap in y swap out

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Thrashing

• Como evitar thrashing?
• Dándole al proceso los frames que necesite.
• Cuantos necesita?
• Working set.

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Working Set

• Working Set está basado en el modelo de
  localidad.
• Localidad conjunto de páginas las cuales son
  usadas juntas. Localidad está definida por la
  estructura del programa y datos.
• Definamos un tamaño de ventana donde se
  encuentra un número fijo de referencias a páginas
  y llamemolos Delta

31

Working Set

• Working set es el número total de páginas
  referenciadas en la ventana mas reciente.
• Si la ventana es muy pequeña no abarcará la
  entera localidad.
• Si la ventana es muy grande contendrá mas de una
  localidad.
• Si la ventana tiende a infinito tendrá todo el
  programa.
• Si el total de marcos demandados es superior al
  número total de marcos disponibles entonces
  thrashing

32

Working Set

• Si el número total de frames demandados es mayor
  que el total de frames, entonces un proceso debe
  ser suspendido.

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Frecuencia de Page Fault

• Una forma de controlar thrashing es por medio del
  PFF (Page Fault Frequency).
• Siempre que la PFF se eleve por encima de un
  umbral, toda página referenciada que no está en
  memoria es lleva a memoria SIN reemplazo de
  alguna página. Esto implica incrementa sus
  frames.
• Si PPF cae por debajo de un umbral, aquellos
  frames que no han sido referenciado desde la
  última ocurrencia de PF, son liberados. Esto
  implica decrece sus frames.

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Otras Consideraciones

• Prepaging búsqueda anticipada de páginas. Tiene
  su justificación cuando el costo del prepaging es
  menor que lo que cuesta servir el PF.
  correspondiente.
• Selección Tamaño de la página
• Como seleccionar el tamaño?
• Tamaño de la tabla de páginas
• Utilización mejor de la memoria (fragmentación
  interna)?
• tiempo requerido para leer y escribir páginas
• reducir tasa de fallo de páginas (localidad)?

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Tamaño de Página

• Paginas pequeñas
• Menor fragmentación interna.
• Mas páginas por procesos.
• Largas tablas de páginas
• Largas porciones de la tabla de páginas en
  memoria virtual
• Muchas páginas en memoria principal
• Refleja la localidad.

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Tamaño de Página

• Paginas grandes
• Memoria secundaria diseñada para transferencia
  eficiente de grandes bloques de datos.
• Mas de una localidad por página.
• Menor número de fallos de páginas.
• Aumenta la fragmentación

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Otras Consideraciones

• Selección cuidadosa de las estructuras de datos y
  programación puede incrementar localidad, lo que
  implica disminuir la tasa de PF y el número de
  páginas en el working set.
• I/o Interlock
• algunas veces es necesario anclar frames a
  memoria. Ej I/O sobre memoria usuario.
• Lockbit se le asocia al frame.