Bài giảng Kỹ thuật Máy tính - Chương 11: Thay trang - Nguyễn Thanh Sơn

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật Máy tính - Chương 11: Thay trang - Nguyễn Thanh Sơn

1. Kiến trúc bộ nhớ OS Disk Mem CPU Cache BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 2
2. Chiến lược quản lý  Chiến lược nạp:  Chiến lược thay thế:  Nạp theo yêu cầu Chọn vùng nào đang bị chiếm để lấy bộ  Nạp trước nhớ cấp cho một yêu  Chiến lược sắp đặt: cầu:  Best fit  OPT  Random  First fit  FIFO  Next fit  LRU  Worst fit  NRU  Page faults  21-Mar-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4
3. Bộ nhớ ảo  Nhận xét: không phải tất cả các phần của một process cần thiết phải được nạp vào bộ nhớ chính tại cùng một thời điểm  Ví dụ:  Đoạn mã điều khiển các lỗi hiếm khi xảy ra  Các arrays, list, tables được cấp phát bộ nhớ (cấp phát tĩnh) nhiều hơn yêu cầu thực sự  Một số tính năng ít khi được dùng của một chương trình  Ngay cả khi toàn bộ chương trình đều cần dùng thì có thể không cần dùng toàn bộ cùng một lúc. BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6
4. Bộ nhớ ảo (tt.)  Thông thường phần của không gian địa chỉ luận lý của quá trình, nếu chưa cần nạp vào bộ nhớ chính, được giữ ở một vùng đặc biệt trên đĩa gọi là không gian tráo đổi (swap space).  Ví dụ:  swap partition trong Linux  file pagefile.sys trong Windows 2K BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8
5. Phần cứng hỗ trợ bộ nhớ ảo  Sự hỗ trợ của phần cứng đối với phân trang đã được khảo sát trong chương trước. Chỉ có một điểm khác biệt là mỗi mục của bảng phân trang có thêm các bit trạng thái đặc biệt  Present bit = 1 trang hợp lệ và hiện trong memory = 0 trang không hợp lệ hoặc không trong memory  Khi có một tham chiếu đến một trang mà không có trong bộ nhớ chính (present bit = 0) thì phần cứng sẽ gây ra một ngắt gọi là page-fault trap  Modified bit: cho biết trang có thay đổi kể từ khi được nạp vào memory hay không BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10
6. Page fault và các bước xử lý BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12
7. Thay thế trang nhớ (tt.) BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 14
8. Giải thuật thay trang OPT (OPTimal)  Thay thế trang nhớ sẽ được tham chiếu trong tương lai xa nhất  Ví dụ: một process có 5 trang, và được cấp 3 frame chuỗi tham chiếu trang nhớ BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16
9. Giải thuật thay trang FIFO  Xem các frame được cấp phát cho process như là circular buffer  Khi bộ đệm đầy, trang nhớ cũ nhất sẽ được thay thế: first-in first-out  Một trang nhớ hay được dùng sẽ thường là trang cũ nhất nên hay bị thay thế bởi giải thuật FIFO  Hiện thực đơn giản: chỉ cần một con trỏ xoay vòng các frame của process BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18
10. Giải thuật FIFO: Belady’s anomaly  Số page fault tăng mặc dầu quá trình đã được cấp nhiều frame hơn. BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20
11. Giải thuật thay trang clock  Các frame cấp cho process được xem như một bộ đệm xoay vòng (circular buffer)  Khi một trang được thay, con trỏ sẽ chỉ đến frame kế tiếp trong buffer  Mỗi frame có một use bit. Bit này được thiết lập trị 1 khi  Một trang được nạp vào frame  Trang chứa trong frame được tham chiếu  Khi cần thay thế một trang nhớ, trang nhớ nằm trong frame đầu tiên có use bit bằng 0 sẽ được thay thế.  Trên đường đi tìm trang nhớ thay thế, tất cả use bit được reset về 0 BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22
12. So sánh LRU, FIFO, và clock chuỗi tham chiếu trang nhớ  Dấu *: use bit tương ứng được thiết lập trị 1  Giải thuật clock bảo vệ các trang thường được tham chiếu bằng cách thiết lập use bit bằng 1 với mỗi lần tham chiếu  Một số kết quả thực nghiệm cho thấy clock có hiệu suất gần với LRU BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24
13. Số lượng frame cấp cho process  OS phải quyết định cấp cho mỗi process bao nhiêu frame.  Cấp ít frame nhiều page fault  Cấp nhiều frame giảm mức độ multiprogramming  Chiến lược cấp phát tĩnh (fixed allocation)  Số frame cấp cho mỗi process không đổi, được xác định vào thời điểm loading và có thể tùy thuộc vào từng ứng dụng (kích thước của nó, )  Chiến lược cấp phát động (variable allocation)  Số frame cấp cho mỗi process có thể thay đổi trong khi nó chạy  Nếu tỷ lệ page-fault cao cấp thêm frame  Nếu tỷ lệ page-fault thấp giảm bớt frame  OS phải mất chi phí để ước định các process BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26
14. Thrashing  Nếu một process không có đủ số frame cần thiết thì tỉ số page faults/sec rất cao. Điều này khiến giảm hiệu suất CPU rất nhiều.  Ví dụ: một vòng lặp N lần, mỗi lần tham chiếu đến địa chỉ nằm trong 4 trang nhớ trong khi đó process chỉ được cấp 3 frame.  Chuỗi tham chiếu trang: 012301230123  Thrashing: hiện tượng các trang nhớ của một process bị hoán chuyển vào/ra liên tục. BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28
15. Nguyên lý locality (tt.)  Để hạn chế thrashing, hệ điều hành phải cung cấp cho process càng “đủ” frame càng tốt. Bao nhiêu frame thì đủ cho một process thực thi hiệu quả?  Nguyên lý locality (locality principle)  Locality là tập các trang được tham chiếu gần nhau  Trong ví dụ trước, locality sẽ bao gồm 4 trang  Process gồm nhiều locality, và trong quá trình thực thi, process sẽ “chuyển từ locality này sang locality khác”  Ví dụ khi một thủ tục được gọi thì sẽ có một locality mới. Trong locality này, tham chiếu bộ nhớ bao gồm lệnh của thủ tục, biến cục bộ và một phần biến toàn cục. Khi thủ tục kết thúc, process sẽ thoát khỏi locality này (và có thể quay lại sau này). BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30
16. Nguyên lý locality (tt.)  “The working set idea was based on an implicit assumption that the pages seen in the backward window were highly likely to be used again in the immediate future.” (P. Denning) BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32
17. Hạn chế thrashing: Giải pháp working set (tt.) Các trang được quá trình working set window tham khảo time BK t TP.HCM Hình từ “The locality principle”, P.J.Denning Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34
18. Hạn chế thrashing: Giải pháp working set (tt.)  Định nghĩa WSSi là kích thước của working set của Pi :  WSSi = số lượng các trang trong WSi Ví dụ (tiếp): = 10 và chuỗi tham khảo trang WSS(t1) = 5 WSS(t2) = 2 BK TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36
19. Xấp xỉ working set  Theo định nghĩa, một trang là ở trong working set nếu nó được tham chiếu trong working-set window  Giả sử hardware hỗ trợ một reference bit cho mỗi page: khi page được tham chiếu, reference bit được set thành 1.  Dùng interval timer kết hợp với reference bit để xấp xỉ working set reference bit 1 copy 0  Ví dụ: = 10.000 history bits  Timer interrupt định kỳ, sau mỗi 5000 đơn vị thời gian.  Giữ trong bộ nhớ 2 bit (history bits) cho mỗi trang nhớ.  Khi timer interrupt xảy ra, shift history bits một vị trí sang phải, copy reference bit vào history bit trái, và reset reference bit = 0. BK  Trang nào có history bits chứa 1 thì thuộc về working set. TP.HCM Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38