Memoria VirtualFallos de PáginaAlgoritmos de Reemplazamiento

Cecilia Hernández

2007-1

Volviendo a Paginación

nmp

npv

dirección virtual

dirección física

Marco Pag 0

Marco Pag 1

Marco Pag 3

Marco Pag 4

Marco Pag N

.

.

.

offset

offset

nmp

npv: Num. página virtualnmp: Num. marco página

Marco Pág 2

Cada Proceso tiene su propia tabla de página

Entradas de Tablas de Páginas (PTE)

Estructura de cada entrada en la tabla de páginas Usualmente mas que solo el número de marco de

página

1 1 1 2 20

V R M Prot Marco de pagina

V : Bit válido. indica si página es válidaR : Bit de Referencia se setea cuando página ha sido leída

o escritoM : Dirty bit, es seteado cuando la página ha sido escritaProt : Bits de protección de Lectura, Escritura, Ejecución

Memoria virtual usando paginación

Dijimos que un proceso no necesita estar completamente en memoria física Bueno donde está? El espacio de direccionamiento

completo se encuentra en disco (almacenamiento secundario) en bloques paginados

El SO utiliza la memoria como cache de lo que esta en disco (en base a páginas)

Una página del proceso en disco se carga en un marco de página (para ello debe encontrarse un marco libre)

• SO normalmente tiene lista de marcos libres• Normalmente páginas de procesos son cargadas a memoria

por demanda (Paginación por demanda) Si no marcos libres y un proceso requiere uno, una página

ocupando un marco es sacada de memoria• Se escriben a disco si han sido modificadas (dirty bit)

Esta acción es transparente a proceso de usuario• Manejado por SO y Hardware

Fallos de página

Qué ocurre si un proceso referencia una dirección virtual que se mapea a un marco que ha sido quitado a la página Cuando esto ocurrió bit válido de entrada en tabla de

página de proceso se puso en 0 Cuando proceso referencia entrada con bit inválido se

produce Fallo de página Fallo de Página produce una interrupción y SO ejecuta

manejador de Fallo de página Manejador

• Usa estructura de datos (parecida a tabla de página) que contiene bloque de disco que contiene página

• Lee página a marco disponible, actualiza PTE• SO reejecuta proceso que generó Fallo de página

Ilustración Fallo de Página

Rutina atenciónFallo Página

CPU

i1 2

3

45

6

tabla de página

DISCO

Memoria Física

Marco pagina

piezas disco

Estructura datosSO

Pasos en Fallo de Página

(1) Referencia a Memoria: Información de Memoria en PCB de proceso captura proceso ejecuta una referencia a memoria inválida

(2) Si es inválida porque es ilegal, proceso es terminado. Si no, interrupción fallo de página, se ejecuta rutina de atención

(3) SO encuentra marco de página libre donde cargar página de disco (SO mantiene páginas de disco asociadas a páginas de proceso en una estructura de datos manejada en SO)

(4) Lectura de página de disco a marco de página. Proceso se bloquea durante esta transferencia

(5) Cuando lectura de disco se completa, se escribe en PTE bit válido y en PCB de proceso que página esta disponible en memoria. Proceso pasa a listo

(6) Se ejecuta de nuevo instrucción interrumpida por fallo de página

Paginación por Demanda

Técnica que permite otorgar páginas de memoria a procesos a medida que lo necesiten Similar a swapping in, pero sólo para el código y

datos requerido por el proceso• Lo que proceso requiere en su ejecución varía en el

tiempo Procesos residen en almacenamiento secundario

• Cuando proceso entra en ejecución páginas se van cargando en memoria (desde disco) a medida que se necesiten

SO actuales traen grupos de páginas (clusters)• SO mantiene información de grupos que puede

traer, compilador también ayuda

Reemplazo de páginas

Cuando una página se lee de disco Si hay marcos de páginas libres, obtener una Si no SO debe obtener una de las ocupadas

• Reemplazo de páginas

• Algoritmos de reemplazamiento• Obtener un marco que no se usará en el futuro

cercano• Obtener un marco que no ha sido modificada• SO trata de tener un número de marcos libres para no

tener que pagar costo de reemplazo en ese momento

Como se carga un programa?

Crea PCB de proceso Crea tabla de página Pone espacio de direccionamiento en disco en

piezas de tamaño de una página y construye tabla que contiene mapeo de páginas y ubicación en disco

Construye tabla de página (apuntada de PCB) Todas las PTEs con bit inválido

Cuando proceso comienza su ejecución Instrucciones fallan en páginas de código y datos a

medida que proceso va referenciando páginas de código y datos

Parece complicado… Cómo que esto funciona?

Cuál es la clave? Localidad

• Temporal: referencias recientes tienden a ocurrir de nuevo en el futuro cercano

• Espacial: referencias cercanas tienden a ocurrir de nuevo en el futuro cercano

Buena localidad tiene como consecuencia paginación menos frecuente

• Paginación en este caso vista como frecuencia de fallos de página

• Idea es una vez que página ha sido cargada en memoria, se referencia de nuevo pronto

• Pero esto depende de algunos factores• Grado de localidad de aplicación• Algoritmo de reemplazo de páginas• Cantidad de memoria física disponible en relación a lo que

necesita proceso para ejecutar sin generar fallos de página

Paginación por Demanda y Conjunto de trabajo

Cuando proceso comienza ejecución Su tabla de páginas posee todas las entradas inválidas Ninguna de sus páginas han sido mapeadas a memoria

(páginas no tienen asociadas marcos de página) Cuando proceso empieza a ejecutarse

• Ejecución de instrucciones generan fallos de páginas por código y datos

• Proceso deja de generar fallos de páginas cuando tiene todas las páginas que necesita para ejecutarse

• Conjunto de trabajo cargado en memoria

Cuando la Memoria es Escasa?

Cuando queda poca memoria física libre, y nuevo proceso se ejecuta Nuevo proceso genera fallos de páginas para cargar

working set• Si SO tiene marcos de páginas libres los otorga a proceso

Si no hay memoria, SO debe liberar páginas (marcos asociados a páginas) de otros procesos o sí mismo (pasarlos a disco) para otorgarse las a nuevo proceso

• Sólo se necesitan escribir si páginas han sido modificadas• SO realiza movimiento de páginas memoria/disco

• Transparente a aplicación

• Que páginas elegir para reemplazar?• Algoritmos de reemplazo de páginas• Generalmente SO mantiene una lista de marcos libres y

cuando esta baja de un umbral ejecuta algoritmo de reemplazo

Fallo de Páginas 2

Qué ocurre con un proceso que referencia a dirección virtual en una página, cuyo marco de página ha sido reemplazado? Cuando página fue reemplazada, el SO puso la página

como inválida (usando bit válido) en la entrada en la tabla de páginas

Cuando proceso accesa la página, el bit inválido de la entrada en tabla de página produce una excepción (fallo de página)

SO ejecuta el manejador de fallo de página• Si SO no posee marcos de páginas libres debe quitar una

página a un proceso para dar a proceso que la requiere• Generalmente SO mantiene una lista de marcos libres y

cuando esta baja de un umbral ejecuta algoritmo de reemplazo

Reemplazamiento de Páginas

Objetivos de los algoritmos de reemplazamiento de páginas Disminuir la razón de fallos de páginas

seleccionando la mejor página “víctima” para reemplazo

Ideal: La mejor página “víctima” es una que no volverá a ser referenciada nunca

• Proceso que la posee no generará fallo de página referenciándola

Algoritmos de Reemplazo OptimoAlgoritmo de Belady

Misma idea de SJF (algoritmo de planificación de procesos) Seleccionar página que no será referenciada por el tiempo más largo en el

futuro Problema: No se puede predecir el futuro

Por que es útil este algoritmo? Sirve como referencia para comparar otros algoritmos

Existe el mejor algoritmo No, depende de carga de trabajo

Existe el peor algoritmo No, pero algoritmo aleatorio es uno de los malos

Por intuición si un sistema tiene más marcos de páginas disponibles, cualquiera sea el algoritmo de reemplazo de páginas ocurrirán menos fallos de páginas Esto no se cumple siempre, a veces puede aumentar Esto se conoce como

la anomalía de Belady

Algoritmo de Reemplazo 2 : FIFO

Fácil de implementar Lista de páginas del sistema

• Cuando SO asigna marco a página ponerla al final de la lista• Cuando SO tiene que reemplazar página, saca la primera de la

lista

Por que podría ser bueno? Quizás la página que entró a memoria primero ahora no

se necesita Por que podría ser malo?

Quizás página esta en uso No hay información en absoluto Podría exponer anomalía de Belady

Algoritmo de Reemplazo 3 : Least Recently Used (LRU)

LRU usa información acerca de referencias para decidir que página es mejor como víctima Idea: Referencias pasadas dan una idea del

comportamiento futuro En reemplazo. elegir página que no ha sido usada por el

mayor tiempo• LRU mira pasado y Belady mira futuro

Implementación• Idealmente: Poner una marca de tiempo (timestamp) en cada

referencia a memoria y poner esta información en entrada de página, ordenar búsqueda de acuerdo a marca de tiempo

• Muy cara

• En la práctica: Una aproximación

Aproximación para LRU

Muchas aproximaciones, todas usan bit R Mantener un contador por cada página

• Periódicamente para cada página• (1) If R == 0 then incrementar contador (no se ha usado)• (2) If R == 1 then contador = 0 (se ha usado)

• Contador mantiene número de intervalos desde la última referencia

• Página con mayor contador es la menos recientemente usada

• Implementación es cara. Copia de registro, SO mantención, cambio contexto, búsqueda página en tabla para reemplazo

Algoritmo de Reemplazo 4 : LRU Reloj

LRU con Reloj. Página no usada recientemente o Segunda Oportunidad Reemplazar una página que es de las más viejas Organizar los marcos de páginas en una cola circular FIFO y

recorrer cola buscando víctima de la siguiente manera• Si bit R = 0 página es elegida para reemplazo

• Si bit R = 1 página ha sido usada, darle segunda oportunidad y poner bit en 0 y seguir con la siguiente página

Puntero que recorre cola se mueve rápido cuando hay necesidad de páginas

Si hay mucha memoria libre… baja sobrecarga Si la memoria física es grande mas difícil de lograrlo bien

• Solución: agregar más punteros para elegir víctima

Asignando Marcos de Páginas

En un sistema multiprogramado se necesita entregar memoria a procesos que compiten por su asignaciónDe donde elegir víctimas de mismo proceso o

diferente? Algoritmos de espacio fijo (Local)

Cada proceso tiene un límite de páginas que puede usar

Cuando proceso alcanza límite, páginas víctimas son extraídas del mismo proceso

Procesos grandes que requieren muchas de sus páginas en memoria pueden sufrir

Asignando Marcos de Páginas cont

Algoritmos de espacio variable (Global) Conjunto de páginas necesitadas por proceso varía en el

tiempo (tamaños de working sets cambian) Reemplazo global, página víctima puede provenir de

cualquier proceso• Algunos procesos pueden entorpecer ejecución del resto

• Linux usa este algoritmo

Conjunto de trabajo (Working set)

El working set de un proceso se utiliza para modelar la localidad dinámica de su uso de memoria

Idea: Examinar conjunto de referencias a memoria más recientes y mantener en memoria WS de procesos en el tiempo con el objetivo de disminuir fallos de página

Working set de un proceso varía en el tiempo de acuerdo a su localidad

Definición: WS(t,w) = { páginas P tal que P fue referenciada en periodo de

tiempo (t, t-w) } t es tiempo y w es la ventana del working set. Página p

está en WS sólo si fue refereciada en las últimas w referencias

Conjunto de trabajo

Ejemplo: Ventana de 10 referencias Tamaño de conjunto de trabajo = 4

Qué ocurre con el tamaño de conjunto de trabajo cuando disminuye su localidad o expone mala localidad?

Por intuición, el conjunto de trabajo debe estar en memoria si no entonces habrían muchos fallos de página (thrashing) Cuando alguien pregunta: Cuánta memoria necesita firefox?

la pregunta es mas bien, cuál es el tamaño promedio ( o peor caso) del conjunto de trabajo de firefox?

WS(t1,10) = {1, 2, 5, 7}2 1 5 7 7 7 7 7 5 1 6 2 9 3 7

Algoritmo de Reemplazo 5: usando Conjunto de trabajo (Working Set)

El working set de un proceso cambia con la localidad de proceso Durante periodos de poca localidad, frecuencia de fallos de

páginas aumenta Durante este periodo tamaño de working set es grande Intuición dice que el working set de un proceso debe estar en

memoria para disminuir notablemente el número de fallos de página

Usa LRU clock para asegurarse de tener páginas correctas en WS

Algoritmo• Iniciar nuevo proceso sólo si su working set cabe en memoria

• Si suma de working sets de procesos excede memoria física, entonces se puede suspender un proceso y ejecutarlo más tarde

• Cuál debería ser la ventana para conjunto de trabajo de proceso?

Algoritmo de Reemplazo 6: Frecuencia de Fallo de Página

Algoritmo de espacio variable Monitorear la frecuencia de fallo de página de

proceso Si la frecuencia pasa un umbral superior darle

más memoria Si la frecuencia baja de un umbral inferior

quitarle memoria al proceso• Proceso debería fallar más, pero permitir que otro

proceso falle menos

No funciona siempre

Número de marcos asignados por proceso

Raz

ón d

e fa

llos

de p

ágin

a

Umbral superior

Umbral inferior

Aumentar númerode marcos

Disminuir númerode marcos

Frecuencia fallos de página

Número de marcos asignados por procesoNúm

ero

de r

efer

enci

as a

mem

oria

ent

re f

allo

s de

pág

ina

Qué pasa?

Qué pasa?

Donde es mejor operación?

Fallos de página

Rendimiento con Paginación con Demanda

Si no hay fallos de página Tiempo efectivo de acceso a memoria depende de :

• tasa de aciertos (hits) de caches (datos y/o TLB)

• costos en tiempo de acceso a caches y memoria En general se define como Tiempo efectivo de acceso a memoria =TEAM TEAM = %aciertos*(costo acierto) + %fallas*(costo falla)

Si hay fallos de página Tiempo de acceso efectivo = (1 – p)*TEAM + p*(costo fallo

de página)

• donde p es la probabilidad de fallos de páginas

Hiperpaginación

Cuando un proceso tiene una alta razón de fallo de páginas SO pasa mucho tiempo atendiendo fallos de página

(pasando páginas de disco a memoria y viceversa) La CPU esta principalmente utilizada haciendo trabajo

de administración que trabajo útil Podría ser simplemente que sistema no cuenta con la

memoria necesaria para atender a todos los procesos Puntos importantes

Si sistema tiene mucha memoria• Algoritmo de reemplazo no tiene tanta incidencia• Si no entonces algoritmo de reemplazo si la tiene

Numero de procesos activos

Nivel de multiprogramación

%U

tiliz

ació

n de

CP

U o

Pro

duct

ivid

ad (

reqs

/seg

s)

Qué ocurre aquí?

Hiperpaginación

Resumen

Paginación por demanda Inicialmente proceso no tiene páginas cargadas, SO las carga a

medida que proceso lo necesita (a través de fallos de página)

Algoritmos de reemplazo de páginas Belady : Óptimo, pero no se puede realizar FIFO: reemplazar página que fue cargada hace más tiempo LRU: reemplazar página que fue referenciada hace más tiempo LRU reloj: reemplazo LRU con segunda oportunidad Working Set: mantener en memoria páginas que incluyen menor

razón de fallo de página Frecuencia de Fallo de páginas: variar número de marcos en

base a umbrales de fallos de páginas

Reemplazamiento local o global