Bài giảng Hệ điều hành - Chương 8: Bộ nhớ ảo - Trần Thị Như Nguyệt

Chương 8: Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
 Bộ nhớ luận lý là gì? Bảng phân trang dùng để làm gì? 
 Bảng trang được lưu trữ ở đâu? Các thanh ghi cần sử 
 dụng trong cơ chế phân trang? 
 TLB là gì? Dùng để làm gì? 
 Thế nào là phân trang đa cấp? Cho ví dụ? 
 Tại sao phải phân đoạn? Các đoạn được phân chia do 
 cái gì? 
 Các thanh ghi được sử dụng trong phân đoạn? 
 2 Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
Xét một không gian địa chỉ có 14 trang, mỗi trang có kích 
thước 1MB. ánh xạ vào bộ nhớ vật lý có 38 khung trang 
a) Địa chỉ logic gồm bao nhiêu bit ? 
b) Địa chỉ physic gồm bao nhiêu bit ? 
c) Bảng trang có bao nhiêu mục? Mỗi mục trong bảng 
trang cần bao nhiêu bit? 
 3 Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
Xét một hệ thống sử dụng kỹ thuật phân trang, với bảng 
trang được lưu trữ trong bộ nhớ chính. 
a) Nếu thời gian cho một lần truy xuất bộ nhớ bình thường 
là 124 nanoseconds, thì mất bao nhiêu thời gian cho một 
thao tác truy xuất bộ nhớ trong hệ thống này ? 
b) Nếu sử dụng TLBs với hit-ratio ( tỉ lệ tìm thấy) là 95%, 
thời gian để tìm trong TLBs bằng 34, tính thời gian cho 
một thao tác truy xuất bộ nhớ trong hệ thống ( effective 
memory reference time) 
 4 Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
 Địa chỉ vật lý 6568 sẽ được chuyển thành địa chỉ ảo bao 
 nhiêu? Biết rằng kích thước mỗi frame là 1K bytes 
 Địa chỉ ảo 3254 sẽ được chuyển thành địa chỉ vật lý bao 
 nhiêu? Biết rằng kích thước mỗi frame là 2K bytes 
 5 Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
Xét một hệ thống sử dụng kỹ thuật phân trang, với bảng 
trang được lưu trữ trong bộ nhớ chính. Nếu sử dụng TLBs 
với hit-ratio ( tỉ lệ tìm thấy) là 87%, thời gian để tìm trong 
TLBs là 24 nanosecond. Thời gian truy xuất bộ nhớ trong 
hệ thống ( effective memory reference time) là 175. Tính 
thời gian cho một lần truy xuất bộ nhớ bình thường? 
 6 Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
Biết thời gian truy xuất trong bộ nhớ thường không sử 
dụng TLB là 250ns. Thời gian tìm kiếm trong bảng TLB là 
26ns. Hỏi sác xuất bằng bao nhiêu nếu thời gian truy xuất 
trong bộ nhớ chính là 182ns. 
 7 Bộ nhớ ảo 
 Câu hỏi ôn tập chương 7 
Xét bảng phân đoạn sau đây : 
Cho biết địa chỉ vật lý tương ứng với các địa chỉ logic sau đây : 
a. 0,430 b. 1,100 c. 2,500 d. 3,400 e. 4,112 
 8 Bộ nhớ ảo 
 Mục tiêu 
 Hiểu được các khái niệm tổng quan về bộ nhớ ảo 
 Hiểu và vận dụng các kỹ thuật cài đặt được bộ nhớ 
 ảo: 
  Demand Paging 
  Page Replacement 
  Demand Segmentation 
 Hiểu được một số vấn đề trong bộ nhở ảo 
  Frames 
  Thrashing 
 9 Bộ nhớ ảo 
 Nội dung 
 Tổng quan về bộ nhớ ảo 
 Cài đặt bộ nhớ ảo: Demand Paging 
 Cài đặt bộ nhớ ảo: Page Replacement 
  Các giải thuật thay trang (Page 
 Replacement Algorithms) 
 Vấn đề cấp phát Frames 
 Vấn đề Thrashing 
 Cài đặt bộ bộ nhớ ảo: Demand Segmentation 
 10 Bộ nhớ ảo 
 Tổng quan 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 
  Cả chương trình thì cũng có đoạn code chưa cần dùng 
 Bộ nhớ ảo (virtual memory): Bộ nhớ ảo là một kỹ thuật cho 
 phép xử lý một tiến trình không được nạp toàn bộ vào bộ 
 nhớ vật lý 
 11 Bộ nhớ ảo 
 Logical 
 memory có 8 
 pages, nhưng 
 chỉ đang có 3 
 pages đang 
 trong physical 
 memory 
 Disk 
12 Bộ nhớ ảo 
 Bộ nhớ ảo (tt) 
 Ưu điểm của bộ nhớ ảo 
  Số lượng process trong bộ nhớ nhiều hơn 
  Một process có thể thực thi ngay cả khi kích 
 thước của nó lớn hơn bộ nhớ thực 
  Giảm nhẹ công việc của lập trình viên (lập 
 trình viên không phải lo về giới hạn memory 
 khi lập trình) 
 Không gian tráo đổi giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ 
 phụ (swap space). 
 Ví dụ: 
  swap partition trong Linux 
  file pagefile.sys trong Windows 
 13 Bộ nhớ ảo 
 Cài đặt bộ nhớ ảo 
 Có hai kỹ thuật: 
  Phân trang theo yêu cầu (Demand Paging) 
  Phân đoạn theo yêu cầu (Segmentation Paging) 
 Phần cứng memory management phải hỗ trợ 
 paging và/hoặc segmentation 
 OS phải quản lý sự di chuyển của trang/đoạn giữa 
 bộ nhớ chính và bộ nhớ thứ cấp 
 Trong chương này, 
  Chỉ quan tâm đến paging 
  Phần cứng hỗ trợ hiện thực bộ nhớ ảo 
  Các giải thuật của hệ điều hành 
 14 Bộ nhớ ảo 
 Phân trang theo yêu cầu 
 Demand paging: các trang của quá trình chỉ được 
 nạp vào bộ nhớ chính khi được yêu cầu. 
 Khi có một tham chiếu đến một trang mà không có 
 trong bộ nhớ chính (valid bit) thì phần cứng sẽ gây 
 ra một ngắt (gọi là page-fault trap) kích khởi page-
 fault service routine (PFSR) của hệ điều hành. 
 PFSR: 
  Chuyển process về trạng thái blocked 
  Phát ra một yêu cầu đọc đĩa để nạp trang được 
 tham chiếu vào một frame trống; trong khi đợi 
 I/O, một process khác được cấp CPU để thực thi 
  Sau khi I/O hoàn tất, đĩa gây ra một ngắt đến hệ 
 điều hành; PFSR cập nhật page table và chuyển 
 process về trạng thái ready. 
 15 Bộ nhớ ảo 
Lỗi trang và các bước xử lý 
 16 Bộ nhớ ảo 
 Thay thế trang nhớ 
 Bước 2 của PFSR giả sử phải thay trang vì không tìm 
 được frame trống, PFSR được bổ sung như sau: 
  Xác định vị trí trên đĩa của trang đang cần 
  Tìm một frame trống: 
 Nếu có frame trống thì dùng nó 
 Nếu không có frame trống thì dùng một giải thuật 
 thay trang để chọn một trang hy sinh (victim page) 
 Ghi victim page lên đĩa; cập nhật page table và 
 frame table tương ứng 
  Đọc trang đang cần vào frame trống (đã có được từ 
 bước 2); cập nhật page table và frame table tương 
 ứng. 
 17 Bộ nhớ ảo 
Thay thế trang nhớ (tt) 
 18 Bộ nhớ ảo 
 Các giải thuật thay thế trang 
Hai vấn đề chủ yếu: 
 Frame-allocation algorithm 
  Cấp phát cho process bao nhiêu frame của bộ nhớ thực? 
 Page-replacement algorithm 
  Chọn frame của process sẽ được thay thế trang nhớ 
  Mục tiêu: số lượng page-fault nhỏ nhất 
  Được đánh giá bằng cách thực thi giải thuật đối với một chuỗi 
 tham chiếu bộ nhớ (memory reference string) và xác định số lần 
 xảy ra page fault 
 Ba giải thuật thay thế trang sẽ được xem xét: 
  FIFO 
  OPT 
  LRU 
 19 Bộ nhớ ảo 
 Các giải thuật thay thế trang 
Chuỗi tham chiếu là gì? 
Ví dụ: Xét một process với các địa chỉ luận lý như sau: 
0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 
0103, 0104, 0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 
0105 
Biết page-size = 100 
 Các địa chỉ trên sẽ lần lượt ở các trang nhớ: 
1, 4, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 1 
Như vậy, các trang nhớ mà process sẽ tham chiếu đến (làm gọn) 
là: 
1, 4, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1 
Chuỗi này gọi là chuỗi tham chiếu của process. 
 20 Bộ nhớ ảo 
 Giải thuật thay trang FIFO 
  Các dữ liệu cần biết ban đầu: 
  Số khung trang 
  Tình trạng ban đầu 
  Chuỗi tham chiếu 
Ví dụ: Cho một process có 8 trang (page) và bộ nhớ chính 
có 3 khung trang (frame), ban đầu các frame này trống. 
Xét giải thuật thay trang FIFO với chuỗi tham chiếu như 
sau: 
Dấu * 
tức là có 
page-
fault 
 Có 
tổng 
cộng 15 
page 
faults 
 21 Bộ nhớ ảo 
 Giải thuật thay trang FIFO 
Nhận xét về thay trang theo FIFO: 
Thông thường, số frame tăng thì số page faults nên 
giảm. 
Tuy nhiên, với FIFO số frame tăng thì số page faults có 
thể cũng tăng theo. Điều nghịch lý này còn gọi là 
nghịch lý Belady. 
Ví dụ: xét chuỗi tham chiếu sau: 
 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 
trong 2 trường hợp: 
  Sử dụng 3 frame 
  Sử dụng 4 frame 
 22 Bộ nhớ ảo 
Nghịch lý Belady 
 23 Bộ nhớ ảo 
 Nghịch lý Belady 
Bất thường/Nghịc lý (Anomaly) Belady: số page 
fault tăng mặc dầu quá trình đã được cấp nhiều 
frame hơn. 
 24 Bộ nhớ ảo 
 Giải thuật thay trang OPT 
  Giải thuật thay trang OPT (Optimal Page Replacement) 
 Trang nhớ bị thay thế sẽ là trang nhớ được tham 
 chiếu trễ nhất trong tương lai 
Ví dụ: một process có 8 page, và được cấp 3 frame trống lúc 
đầu. Xét giải thuật thay trang OPT với chuỗi tham chiếu sau: 
 25 Bộ nhớ ảo 
 Giải thuật thay trang LRU 
 Giải thuật thay trang LRU (least recently used) 
 Trang nhớ bị thay thế sẽ là trang nhớ gần đây ít 
 được sử dụng nhất. 
Mỗi trang được ghi nhận (trong bảng phân trang) thời 
điểm được tham chiếu; từ đó trang bị thay sẽ là trang nhớ 
có thời điểm tham chiếu nhỏ nhất (OS phải tốn thêm chi 
phí tìm kiếm trang nhớ bị thay thế này mỗi khi có page 
fault) 
Do vậy, LRU cần sự hỗ trợ của phần cứng và chi phí cho 
việc tìm kiếm. 
 26 Bộ nhớ ảo 
 Giải thuật thay trang LRU 
 Giải thuật thay trang LRU (least recently used) 
 Trang nhớ bị thay thế sẽ là trang nhớ gần đây ít được 
 sử dụng nhất. 
Ví dụ: một process có 8 page, và được cấp 3 frame trống 
lúc đầu. Xét giải thuật thay trang LRU với chuỗi tham chiếu 
sau: 
 27 Bộ nhớ ảo 
 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 
 28 Bộ nhớ ảo 
 Chiến lược cấp phát tĩnh 
 Cấp phát bằng nhau: Ví dụ, có 100 frame và 5 process → 
 mỗi process được 20 frame 
 Cấp phát theo tỉ lệ: dựa vào kích thước process 
 Ví dụ: 
 Cấp phát theo độ ưu tiên 
 29 Bộ nhớ ảo 
 Trì trệ trên toàn bộ hệ thống 
 Nếu một process không có đủ số frame cần thiết thì tỉ số 
 page faults/sec rất cao. 
 Thrashing: hiện tượng các trang nhớ của một process bị 
 hoán chuyển vào/ra liên tục. 
 30 Bộ nhớ ảo 
 Mô hình cục bộ 
 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 
  Một process gồm nhiều locality, và trong quá trình 
 thực thi, process sẽ chuyển từ locality này sang 
 locality khác 
 Vì sao hiện tượng thrashing xuất hiện? 
 Khi Σ size of locality > memory size 
 31 Bộ nhớ ảo 
 Giải pháp tập làm việc 
 Được thiết kế dựa trên nguyên lý locality. 
 Xác định xem process thực sự sử dụng bao nhiêu frame. 
 Định nghĩa: 
  WS(t) - số lượng các tham chiếu trang nhớ của 
 process gần đây nhất cần được quan sát. 
  - khoảng thời gian tham chiếu 
 Ví dụ: 
 = 4 
 chuỗi tham khảo 
 2 4 5 6 9 1 3 2 6 3 9 2 1 4 
 trang nhớ 
 thời điểm t1 
 32 Bộ nhớ ảo 
 Giải pháp tập làm việc (tt) 
  Định nghĩa: working set của process Pi , ký hiệu WSi , là tập 
 gồm Δ các trang được sử dụng gần đây nhất. 
Ví dụ: Δ = 10 và 
chuỗi tham khảo trang 
  Nhận xét: 
  Δ quá nhỏ ⇒ không đủ bao phủ toàn bộ locality. 
  Δ quá lớn ⇒ bao phủ nhiều locality khác nhau. 
  Δ = ∞ ⇒ bao gồm tất cả các trang được sử dụng. 
 Dùng working set củ a một process để xấp xỉ củ localitya nó. 
 33 Bộ nhớ ảo 
 Giải pháp tập làm việc (tt) 
  Định nghĩa: WSSi là kích thước của working set của 
 Pi: 
  WSSi = số lượng các trang trong WSi 
Ví dụ: Δ = 10 và 
chuỗi tham khảo trang 
 WSS(t1) = 5 WSS(t2) = 2 
 34 Bộ nhớ ảo 
 Giải pháp tập làm việc (tt) 
 Đặt D = Σ WSSi = tổng các working-set size của mọi 
 process trong hệ thống. 
  Nhận xét: Nếu D > m (số frame của hệ thống) ⇒ sẽ 
 xảy ra thrashing. 
 Giải pháp working set: 
  Khi khởi tạo một tiến trình: cung cấp cho tiến trình số 
 lượng frame thỏa mãn working-set size của nó. 
  Nếu D > m ⇒ tạm dừng một trong các process. 
 Các trang của tiến trình được chuyển ra đĩa cứng 
 và các frame của nó được thu hồi. 
 35 Bộ nhớ ảo 
 Giải pháp tập làm việc (tt) 
 WS loại trừ được tình trạng trì trệ mà vẫn đảm bảo 
 mức độ đa chương 
 Theo vết các WS? WS xấp xỉ (đọc thêm trong 
 sách) 
 Đọc thêm: 
  Hệ thống tập tin 
  Hệ thống nhập xuất 
  Hệ thống phân tán 
 36 Bộ nhớ ảo 
Kết thúc chương 8