6 ca-virtual memory structure (wichet p.'s conflicted copy 2012-12-17)

โครงสร้า งหน่ว ยความ
จำา เสมือ น
Virtual Memory Structure

Virtual Memory

Background
Demand Paging
Process Creation
Page Replacement
Allocation of Frames
Thrashing
Operating System Examples

วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | ระบบปฏิบ ต ิก าร (OS: Operating Systems) | หน่วยความจำาเสมือน (Virtual Memory) | 2
ั

Learning Objectives

เพื่อศึกษาความสำาคัญของหน่วยความจำาเสมือน
เพื่อเข้าใจการสลับหน้าตามคำาขอทันที (demand paging) ของ
หน่วยความจำาเสมือน
เพื่อเข้าใจถึงความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายในการใช้งานหน่วย
ความจำาเสมือน

ั

ความเป็น มา
Background
ชุดคำาสั่งที่จะถูกกระทำาการได้นั้นจะต้องอยู่ในหน่วยความจำา
กายภาพเสมอ
เราจำาเป็นต้องใส่พื้นที่เลขที่อยู่ของหน่วยความจำาแบบตรรกะ
ทั้งหมดลงในหน่วยความจำาแบบกายภาพ (แต่ถกจำากัดด้วยขนาด
ู
ของพื้นที่หน่วยความจำาจริง)
กรณี single program
ใช้วิธการ overlay คือการทำาให้โปรแกรมทีมขนาดใหญ่กว่าพืนที่
ี ่ ี ้
ในหน่วยความจำา ให้สามารถดำาเนินได้ จัดการโดยโปรแกรมเมอร์
โดยการแบ่งโปรแกรมออกเป็นโปรแกรมย่อย (sub program)
หลายๆ ส่วน และให้แต่ละส่วนมีขนาดเล็กกว่าหน่วยความจำา
กรณี Multiprogram
ใช้หน่วยความจำาเสมือน (virtual memory) จัดการโดย OS

ั

Background

โปรแกรมจะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน main program เป็นส่วนของโปรแกรมที่
อยูในหน่วยความจำาไปตลอดจนกระทั่งการทำางานสิ้นสุดลง และ Sub-
่
Program ในส่วนที่เหลือ จะถูกแบ่งออกเป็นส่วนย่อยๆ และจะถูกโหลดเข้าสู่
หน่วยความจำาก็ต่อเมื่อต้องการรันเท่านั้น

ั

Background
หน่ว ยความจำา เสมือ น (Virtual memory) – การแยกส่วน
ของหน่วยความเชิงตรรกะ (logical memory) ของผู้ใช้ออกจาก
หน่วยความจำาเชิงกายภาพ (physical memory)
มีเพียงส่วนของโปรแกรมทีต้องการอยูในหน่วยความจำาเพื่อกระทำา
่ ่
การ (execution) เท่านั้น
พื้นที่ (Logical address) จึงสามารถใหญ่กว่าขนาดของพืนทีหน่วย
้ ่
ความจำาเชิงกายภาพ (physical address space) ได้
ยินยอมให้มการใช้พื้นที่หน่วยความจำาร่วมกันได้ จากหลายๆ
ี
กระบวนการ
ทำาให้มการสร้างกระบวนการขึ้นมาได้โดยสะดวก
ี
Virtual memory สามารถใช้งานผ่าน
Demand paging
Demand segmentation

ั

Virtual Memory That is Larger Than Physical
Memory

ั

Demand Paging

นำา page ไปไว้ในหน่วยความจำาเฉพาะเมื่อเวลาที่ต้องการเท่านั้น
ลดการใช้ (Less I/O needed)
ลดการใช้หน่วยความจำา (Less memory needed)
โต้ตอบได้รวดเร็วกว่า (Faster response)
รองรับผู้ใช้ได้มากกว่า (More users)

Page ที่ต้องการ  ต้องการมีการอ้างอิงถึง
invalid reference ⇒ ยกเลิก (abort)
not-in-memory ⇒ นำาเข้าหน่วยความจำา (bring to memory)

ั

Transfer of a Paged Memory to Contiguous Disk
Space

ั

Valid-Invalid Bit
จะมี valid–invalid bit เชื่อมโยงอยูในแต่ละรายการ page table
่
(1 ⇒ in-memory, 0 ⇒ not-in-memory)
ต้องกำาหนดค่าเริ่มต้น valid–invalid เป็น 0 ทุกรายการ (entries)
Example of a page table snapshot.
Frame # valid-invalid bit
1
1
1
1
0


0
0
page table

ระหว่างการแปลงเลขที่อยู่ ถ้า valid–invalid bit ใน page table
entry เป็น 0 ⇒ page fault
ั

Page Table When Some Pages Are Not in Main
Memory

ั

การผิด หน้า
Page Fault
ถ้าเคยมีการอ้างอิงบน page ครั้งแรกของการอ้างอิงจะ trap to
OS ⇒ page fault
OS จะมองหาตารางอื่นเพื่อตัดสินใจว่า
Invalid reference ⇒ abort.
ยังไม่มีอยูในหน่วยความจำา
่
จะหา empty frame
Swap page ไปยัง frame นั้น
Reset tables, validation bit = 1.
เริ่มคำาสั่ง: Least Recently Used
block move

เพิ่มหรือลดตำาแหน่งอย่างอัตโนมัติ

ั

Steps in Handling a Page Fault

ั

จะเป็น อย่า งไรถ้า ไม่ม เ ฟรมว่า ง (free frame)?
ี

การแทนที่ Page (Page replacement) – จะค้นหาบาง page
ในหน่วยความจำาที่ยงไม่ได้มีการใช้งานจริง แล้วสลับออกไป
ั
(swap out)
algorithm
performance – ต้องใช้ algorithm ทีทำาให้ผลการค้นหาจำานวน
่
การผิดหน้าเหลือน้อยทีสุด
่

บางหน้า (page) อาจมีการนำาเข้าออกหน่วยความจำาหลายครั้ง

ั

Performance of Demand Paging

Page Fault Rate 0 ≤ p ≤ 1.0
if p = 0 no page faults
if p = 1, every reference is a fault

Effective Access Time (EAT)
EAT = (1 – p) x memory access
+ p (page fault overhead
+ [swap page out ]
+ swap page in
+ restart overhead)

ั

Demand Paging Example

Memory access time = 1 microsecond

50% ของเวลาที่มีการแก้ไข page ที่ถูกแทนที่ และต้องถูกสลับ
ออกไป

Swap Page Time = 10 msec = 10,000 msec
EAT = (1 – p) x 1 + p (15000)
1 + 15000P (in msec)

ั

การสร้า งกระบวนการ
Process Creation
Virtual memory ยินยอมให้ใช้ประโยชน์อย่างอื่นได้ในขณะที่
สร้างกระบวนการ

- Copy-on-Write

- Memory-Mapped Files

ั

Copy-on-Write

Copy-on-Write (COW) ยินยอมให้ทั้ง parent and child
processes ในการกำาหนดค่า share ใน page เดียวกันในหน่วย
ความจำา

ถ้าแม้มีการแก้ไข page ที่ใช้ร่วมกัน ก็จะมีเพียง page นั้นที่ถก
ู
สำาเนาไป

COW จะมีการสร้างกระบวนการที่สะดวกกว่า เช่นเดียวกับการ
สำา page ที่มีการแก้ไข

Free pages จะถูกจัดสรรจาก pool ของ zeroed-out pages.

ั

Memory-Mapped Files

Memory-mapped file I/O ยินยอมให้ file I/O ถูกใช้งานเหมือนรูที
นการเข้าถึงหน่วยความจำาได้โดยการ mapping a disk block ไปเป็น
page ในหน่วยความจำา

ไฟล์จะถูกกำาหนดค่าเริ่มต้นของการอ่านโดยใช้ demand paging
สัดส่วนของ page-sized ของไฟล์ที่อ่านจากระบบไฟล์ไปยัง physical
page. ลำาดับย่อยของ reads/writes ไฟล์จะดำาเนินการเช่นเดียวกับการ
เข้าถึงหน่วยความจำา

การเข้าถึงไฟล์อย่างง่ายโดย treating file I/O ผ่านหน่วยความจำา
มากกว่าการใช้ read() write() system calls.

อนุญาตให้หลายกระบวนการทำาการ map ไฟล์เดียวกันให้ใช้ pages
ร่วมกันในหน่วยความจำาได้อีกด้วย

ั

Memory Mapped Files

ั

การแทนที่ห น้า
Page Replacement
การป้องกันการจัดสรรเกินหน่วยความจำาได้โดยการแก้ไข
page-fault service routine เพิ่มเข้าไปใน page replacement

ใช้ modify (dirty) bit ในการลด overhead ของการถ่ายหน้า
โดยการแก้ไขเฉพาะหน้าที่ถูกเขียนลงบนดิสก์เท่านั้น

Page replacement จะแยกจากกันอย่างอิสระระหว่าง logical
memory และ physical memory – virtual memory ขนาด
ใหญ่สามารถสร้างบน physical memory ที่มีขนาดเล็กกว่าได้

ั

Need For Page Replacement

ั

Basic Page Replacement

1. หาตำาแหน่งของ page ที่ต้องการบนดิสก์

2. หา free frame:
- ถ้ามี free frame ก็ใช้
- ถ้าไม่มี free frame ให้ใช้ page replacement
algorithm ในการเลือก victim frame

3. อ่าน page ที่ต้องการไปไว้บน free frame ใหม่ แล้ว Update
ตาราง page และ frame

4. เริ่มดำาเนินการกระบวนการ

ั

Page Replacement

ั

Page Replacement Algorithms

ต้องการให้มีอัตราการผิดหน้าตำ่าที่สุด (lowest page-fault rate)
ประเมิน algorithm โดยรัน reference string บนหน่วยความจำา
และคำานวณจำานวน page faults ของ string นั้น
In all our examples, the reference string is
1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5.

ั

Graph of Page Faults Versus The Number of
Frames

ั

First-In-First-Out (FIFO) Algorithm
Reference string: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
3 frames (3 pages สามารถอยูในหน่วยความจำา ณ เวลาใด
่
เวลาหนึ่ง ต่อหนึ่งกระบวนการ)
1 1 4 5
2 2 1 3 9 page faults
3 3 2 4
4 frames
1 1 5 4
2 2 1 5 10 page faults
3 3 2

4 4 3
FIFO Replacement – Belady’s Anomaly
frames ยิ่งมาก  page faults ยิ่งลดลง
ั

FIFO Page Replacement

ั

FIFO Illustrating Belady’s Anamoly

ั

Optimal Algorithm

แทนที่ page ที่จะไม่ถูกเรียกใช้อีกในเวลาอันใกล้นี้
4 frames example
1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

1 4
2 6 page faults
3

4 5

จะแทนที่โดยวิธีใด
จะวัดประสิทธิภาพของอัลกอริธึมได้อย่างไร

ั

Optimal Page Replacement

ั

Least Recently Used (LRU)
Algorithm
Reference string: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
1 5
2

3 5 4
4 3

ใช้ตัวนับ (Counter implementation)
นับรายการ (entry) ทุก page ทีเข้ามา, ทุกครั้งที่ page ถูกอ้างอิง
่
ผ่านรายการ, แล้วสำาเนาค่านาฬิกาไปยัง counter
เมือต้องการเปลี่ยน page ก็ให้มองหา counter เพื่อจะใช้เปลี่ยน
่
หน้า

ั

LRU Page Replacement

ั

LRU Algorithm (Cont.)

ใช้แบบสแต็ก (Stack implementation) – เก็บสแต็กของ
หมายเลขหน้า (page numbers) ในรูปการเชื่อมโยงแบบคู่
(double link form):
Page referenced:
ย้ายเพ็จนั้นไปยังด้านบน
ใช้ 6 pointers ในการเปลี่ยน
ไม่จำาเป็นต้องค้นหาเพื่อแทนที่

การใช้ stack algorithm ช่วยแก้ปัญหา Belady’s Anomaly
แต่ต้องใช้อุปกรณ์ช่วยแทนการใช้เขียนโปรแกรมควบคุมการ
เรียก interrupt เอง

ั

Use Of A Stack to Record The Most Recent Page
References

ั

LRU Approximation Algorithms

การเพิ่มบิตอ้างอิง (Additional-Reference-bits algorithm)
ใช้บนระบบทีไม่มอุปกรณ์ช่วย
่ ี
จับคู่แต่ละหน้าด้วย bit, ค่าเริ่มต้นเป็น = 0 (ยังไม่ใช้)
เมือหน้าถูกอ้างอิง บิตอ้างอิงกะจะถูกเปลี่ยนเป็น 1 (ใช้แล้ว)
่
การแทนทีในระบบนี้สามารถตรวจสอบได้ว่ามีหน้าใดถูกใช้แล้วหรือ
่
ยัง
การให้โอกาสครั้งที่สอง (Second chance)
ใช้บิตอ้างอิง (reference bit) ใช้การแทนที่แบบนาฬิกา (Clock
replacement) เพื่อป้องกันการสับเปลี่ยนหน้าทีถูกเรียกใช้บ่อยออก
่
ไป
ถ้าหน้าถูกแทนที่ (ตามลำาดับนาฬิกา) บิตอ้างอิงจะ = 1 จากนั้น:
เปลี่ยนบิตกลับไปเป็น 0
เปลี่ยนเวลาทีเข้ามาในหน่วยความจำาให้เหมือนเพิ่งเข้ามา
่
ทำาการตรวจสอบหน้าอื่นๆ ตามหลักการเช่นเดียวกัน

ั

Second-Chance (clock) Page-Replacement
Algorithm

ั

Counting Algorithms

การใช้ตัวนับการอ้างอิงของแต่ละหน้าไว้

LFU (least frequently used) Algorithm: การเก็บจำานวนครั้งที่
หน้าถูกอ้างอิง และเลือกที่ถูกอ้างอิงน้อยที่สุดออกก่อน

MFU (most frequently used) Algorithm: อยู่บนสมมุติฐานที่
ว่า หน้าที่ถกอ้างอิงน้อยนั้นมีโอกาสที่จะถูกมากในเวลาต่อไป
ู
เพราะอาจเป็นหน้าที่เพิ่งถูกย้ายเข้ามาในหน่วยความจำา

อย่างไรก็ตาม วิธีการแทนที่หน้าทั้งแบบใช้น้อยออกก่อนและแบบ
ใช้มากออกก่อนนั้นเป็นแนวคิดที่ไม่แตกต่างกันเท่าใดนัก
ประสิทธิภาพจึงขึนอยู่กับการคาดการณ์ล่วงหน้าได้ถกต้องมาก
้ ู
น้อยแค่ไหน การใช้งานมีค่าใช้จ่ายสูง และสู้วิธีการแบบเหมาะ
ที่สุด (OPT) ไม่ได้

ั

Page-Buffering Algorithm

ระบบที่มักเก็บหน้าว่างๆ ไว้เป็นกลุ่มๆ
เมื่อเกิด page fault หน้าว่างๆ หน้าหนึ่งก็จะถูกเลือกมาใช้ แต่ยัง
ไม่ย้ายออกไปทันที
ระบบจะอ่านหน้าที่ต้องการเข้ามาในเนื้อที่ว่างได้เลยโดยไม่ต้อง
รอให้มีการย้ายหน้าเดิมออกไปก่อน
ทำาให้ลดเวลาในการย้ายหน้าลงมาก เมื่อมีเวลาว่าง ระบบค่อย
ทำาการย้ายหน้าที่เลือกออกไปในภายหลัง จากนั้น รวมพื้นที่ว่าง
เข้าไว้ในกลุ่ม (clustering)

ั

Operating System Examples

Windows NT

Solaris 2

ั

Windows NT

ใช้ demand paging ร่วมกับ clustering โดยใส่ใน page
รอบๆบริเวณที่เกิดการผิดหน้า
กระบวนการทั้งหมดจะถูกกำาหนด working set minimum
และ working set maximum
Working set minimum คือจำานวนตำ่าสุดของหน้าอยู่ในหน่วย
ความจำา
กระบวนการหนึ่งอาจถูกกำาหนด working set maximum มีอยู่
หลายๆ หน้า
เมื่อพื้นที่ว่างในหน่วยความจำาเหลือกว่าค่าเป้าหมายที่กำาหนดไว้
(threshold) การตัดแต่ง working set อย่างอัตโนมัติ
(automatic working set trimming ) ก็จะเริ่มทำางาน เพื่อ
คืนพื้นที่ว่างของหน่วยความจำา
Working set trimming จะย้ายหน้าออกจากกระบวนการที่มีการ
ใช้งานหน้า working set minimum ของกระบวนการเหล่านั้น

ั

Paging System ของ Windows NT

ั

Address translation ของ Windows

ั

Solaris 2

บำารุงรักษารายการของหน้าว่าง (free pages) เพื่อกำาหนดให้กับ
กระบวนการที่เกิดการผิดหน้า

Lotsfree – threshold parameter จุดเริมต้นของการค้นหาหน้า
่

การค้นหาหน้าจะทำาโดยกระบวนการสลับหน้าออก (pageout
process)

Pageout scans pages using modified clock algorithm.

Scanrate คือ อัตราที่หน้าจะถูกสแกน มีขอบเขตตั้งแต่
slowscan ถึง fastscan

Pageout ถูกเรียกใช้บอยหรือไม่ขึ้นกับจำานวนหน่วยความจำาที่วาง
่ ่
เหลือมากน้อยเพียงใด

ั

Solar Page Scanner

ั

6 ca-virtual memory structure (wichet p.'s conflicted copy 2012-12-17)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to 6 ca-virtual memory structure (wichet p.'s conflicted copy 2012-12-17)

Similar to 6 ca-virtual memory structure (wichet p.'s conflicted copy 2012-12-17) (20)

More from krissapat

More from krissapat (6)

6 ca-virtual memory structure (wichet p.'s conflicted copy 2012-12-17)