Tildeling av minne til prosesser

Transkript

1 Tildeling av minne til prosesser

2 Tildeling av minne til prosesser OS må hele tiden holde rede på hvilke deler av RAM som er ledig/opptatt Når (asynkrone) prosesser/run-time system krever tildeling av en (varierende) mengde RAM: Finn et passende minneområde som matcher kravet Tildél området til prosessen Merk minneområdet som opptatt Minneområde må frigis igjen når en prosess ikke trenger det lenger (ved terminering eller garbage collection )

3 Teknikker for tildeling av minne til prosesser Enkel, sammenhengende tildeling Partisjonert tildeling Virtuelt minne med paging Segmentert minnehåndtering Merk: Minnehåndtering gjøres delvis i hardware/cpu/mmu, OS må derfor tilpasses til mekanismene som støttes i prosessoren

4 Enkel, sammenhengende tildeling Den enkleste formen for minnehåndtering En liten del av minnet settes av til å kjøre OS Hele resten av minnet er bare tilgjengelig for en prosess om gangen MS-DOS brukte denne teknikken, finnes også i f.eks. embedded systemer som bare gjør én ting Multitasking kan oppnås ved å dumpe hele RAM for nåværende prosess ut på disk, og deretter lese inn RAM-innholdet for neste prosess (swap)

5 Partisjonert tildeling Minnet er delt opp i minneområder (partisjoner) av ulik størrelse Prosessene deler på det tilgjengelige minnet OS tildeler ett minneområde til hver prosess To typer partisjonert tildeling: Statisk ( stiv tildeling i læreboken ) Dynamisk ( fleksibel tildeling i læreboken)

6 Statisk tildeling Oppdeling av RAM i faste minneområder, gjøres ved oppstart av maskinen: Segmenter av ulik størrelse Oppdelingen kan ikke endres Minimum-fit tildeling: Velg minste ledige minneområde større enn krav Sløser alltid med plass Max. antall prosesser = antall minneområder (!) Statisk tildeling brukes ikke lenger

7

8 Dynamisk tildeling Ingen faste minneområder Tildelingsstrategi: Finn det minste ledige sammenhengende minneområdet som er større enn krav (minimum-fit, alternativt maximum-fit) Tildél nøyaktig det som prosessen ber om, fra begynnelsen av minneområdet som er funnet Fleksibelt: Ingen fast øvre grense for antall prosesser Tilpasser seg automatisk til mange systemer med både mange små og få store prosesser.

9

10 Problem: Dynamisk fragmentering Blir stadig flere ledige områder i minnet minnet deles opp i relativt små fragmenter Prosesser som krever mye minne kan måtte avvises: Finnes ikke stort nok sammenhengende minneområde Men summen av de små minneområdene kan være større Samme problem oppstår stadig vekk på disker Kan løses med algoritmer for defragmentering: Gå jevnlig gjennom (deler av) RAM / disk og finn alle områder under en viss størrelse Slå sammen disse områdene til større områder ved å flytte rundt på innholdet i RAM Men: Dette krever relativt mye tid og medfører endringer i tilstand for alle prosessene på systemet systemet fryser

11 Vanlig løsning på fragmenteringsproblemet: Paging Deler opp primærminnet i småbiter av fast størrelse Hver småbit kalles for en page frame Typisk størrelse er 4096 = 4KB = 2^12 bytes Tilsvarer den minste enheten/mengden av data som kan flyttes mellom RAM og disk under skriving/lesing av data Minne tildeles alltid til en prosess som et antall pages Det fysiske minneområdet til en prosess behøver ikke være sammenhengende, men kan ligge spredt i RAM: Fragmenteringsproblemet løses ved å kunne bruke ledige småbiter av RAM til å sette sammen minneområdet Paging brukes alltid sammen med virtuelt minne

12 Virtuelt minne Virtuelt minne er en teknikk for minnehåndtering som implementeres med både programvare og maskinvare Vanlige programmer bruker virtuelle minneadresser for en prosess/maskininstruksjon ser minnet fortsatt ut som en sammenhengende tabell som kan adresseres/indekseres Operativsystemet håndterer prosessenes virtuelle adresser og tilordner dem til korrekte, virkelige adresser i det fysiske primærminnet Egen maskinvare i CPU (memory management units/ MMU) gjør den automatiske oversettelsen fra virtuell til fysisk addresse

13 Fordeler med virtuelt minne Alle program/prosesser forholder seg kun til et eget (virtuelt) lineært adresserom, enklere for programmereren OS håndterer og skjuler den fysiske oppdelingen/ fragmenteringen av minnet for applikasjonene Bedre sikkerhet, programmene kjenner ikke til minnet utenfor tildelt virtuell hukommelse Brukt sammen med paging kan virtuell hukommelse enkelt tilby prosessene mer minne enn det som faktisk er tilgjengelig (ved å bruke disk til å swappe minneområder inn/ut av RAM)

14 Virtuelt minne og paging Det sammenhengende virtuelle minneområdet for en prosess deles inn i pages: En page er en sammenhengende blokk av virtuelt minne En page er vanligvis 4 kilobytes Merk at disse minnecellene ikke finnes, men bare er tenkt minne Det virkelige primærminnet deles opp i page frames, som er en region av minnet som fysisk kan lagre inneholdet i en enkelt virtuell page En page i virtuelt minne lagres i sin helhet fysisk enten i en page frame i primærminnet eller på disk (hvis RAM fullt ) OS-ets minnestyring sørger for at program som adresserer en virtuell page får lest fra/skrevet til den riktige page frame

15

16 Page-tabeller Brukes for å oversette korrekt fra applikasjonens virtuelle adresser til fysiske adresser som brukes av maskinvaren Hvert element i tabellen lagrer informasjon om én virtuell page For hver page lagres et flagg (f.eks. en uendelig -verdi) som forteller om tilsvarende page frame er i RAM eller ikke Hvis page frame er i RAM, inneholder page-tabellen den fysiske RAM-adressen til page frame Hvis page frame ikke er i RAM, vil forsøk på lesing/skriving generere et avbrudd som kalles page fault, og det startes en avbruddsrutine som henter riktig page frame fra disk til RAM OS kan ha én stor page-tabell, en tabell for hver applikasjon, en for hvert segment av RAM, eller kombinasjoner av dette

17

18 Håndtering av page faults Paging supervisor: Den delen av OS som lager og håndterer page-tabeller Ved page fault (virtuell page ikke i RAM): Paging supervisor leser fra disk og inn i RAM den page frame som inneholder ønsket virtuell page Page-tabellen oppdateres med den fysiske RAMadressen til innlest frame og oversettelsen fra virtuell til virkelig adresse startes på nytt Merk: Hvis det ikke er plass i RAM, må en page frame tas ut og lagres på disk først (swapping) Paging supervisor må ha en strategi/algoritme for å finne ut hvilken page som skal flyttes ut på disk

19

20 Page replacement algoritmer Velger hvilken page frame som skal legges på disk / swappes når RAM er fullt Algoritmene må være gode og effektive: Disk swap er svært mye langsommere enn RAM Må ikke velge pages som brukes mye Algoritmen må selv også være effektiv Mulige strategier: Prøv å forhindre page faults (vent på disk / ta med naboer ved page fault) FIFO, lengst i minnet tas ut Minst brukt tas ut (bit-merking, Fongens klesskap )

21 Låsing av page frames Noen deler av RAM kan ikke ikke swappes til disk (pinned/locked/fixed page frames), spesielt kode og data som brukes ved avbrudd: Paging supervisor kode og diskdrivere: Paging kan ikke virke hvis koden ikke er tilgjengelig for CPU Avbruddstabellen (pekere til kodene for avbruddshåndtering) må alltid være låst Tidsavhengig kode/timere: For å unngå forsinkelse ved paging, som gir unøyaktighet Databuffere som brukes ved Direct Memory Access (DMA, se kapittel 2 i læreboken) må låses mens lesing/skriving pågår, DMA virker bare mot RAM

22 Paging, page faults og effektivitet Deler av paging-systemer er kompliserte både å forstå til bunns og å implementere, f.eks.: Bokholderi mellom virtuelt og fysisk minne / disk Optimalisering av minnebruk og swapping Flaskehals: Håndtering av page faults er tidkrevende Trashing : For mange prosesser bruker for mye RAM Maskinen bruker alt for mye tid på å overføre page frames frem og tilbake mellom RAM og disk Systemet blir svært tregt eller ubrukelig Trashing kan unngås ved å sette en øvre grense for antall prosesser/frames som er aktive (eller kjøpe mer RAM)

23 Segmentert minnehåndtering Tilbyr ikke en prosess et sammenhengende, lineært minneområde Minnet består av flere (hver for seg) sammenhengende områder av ulik størrelse, segmenter En prosess kan ha vilkårlig mange segmenter Et segment knyttes oftest til en logisk samling av informasjon: Koden som svarer til en metode i et program Data som ligger lagret i en tabell/array i et program Minnesegmentene håndteres indivividuelt mht. tildeling, (bedre) beskyttelse, deling og frigivelse

24 Implementasjon av segmentert minne Prosessen ser minne i form av en segmenttabell, som for hvert minnesegment inneholder: Starten på segmentet i minnet Lengden på segmentet Tilgangsinformasjon (delt/beskyttet...) Statusinformasjon (i RAM / swappet ut til disk etc.) Segmentert minne kan implementeres både med og uten bruk av paging Moderne CPU-er støtter ofte segmentert minne i hardware / MMU (se læreboken)

25

26 Segmentert minne uten paging Segmenttabellen inneholder fysiske adresser i RAM, sammen med status for segmentene (i RAM eller swappet ut til disk) Lesing/skriving av en virtuell minneadresse i et segment som ikke er i RAM gir avbrudd: Hele segmenter leses fra / skrives til disk Lange I/O-operasjoner, lite effektivt Problemer med fragmentert minne og lite effektiv minnebruk Vanlig i gamle dager (Multics), lite brukt nå

27 Segmentert minne med paging Segmenttabellen inneholder adresser i det virtuelle minnet Disse virtuelle minneadressene brukes igjen av systemet i en egen page-tabell for segmentet, som for vanlig virtuelt minne Segmentering blir bare et ekstra lag med abstraksjon i minnehåndteringen Paging og page faults håndteres på samme måte som for vanlig virtuelt minne Vanlig løsning i moderne OS og maskinvare

28 Minnehåndtering i Linux for Intel-CPU Standard Linux bruker p.t.: Segmentert minnehåndtering med paging 4096 bytes pages Page replacement algoritme: Hver page frame har en verdi ( age ) som indikerer hvor ønskelig det er at den forblir i RAM age oppdateres jevnlig av systemet ved lav load age øker ved mye aksess til page frame, avtar ellers Velger pages med lav age for swapping

29 Noen kommandoer for å se minnebruk i Linux Hele systemet: cat /proc/meminfo top free m vmstat ps aux sort rss gnome system monitor Enkeltprosesser: ps v PID cat /proc/pid/maps

30 Minnestyring og Java-programmer Følgende må lagres i RAM ved kjøring: Ferdig kompilert kode Statiske variable som lever i hele kjøretiden Stack'en som lagrer automatiske variable i metoder Heap'en som lagrer dynamiske variable JVM kan bruke ett minnesegment for hver av disse typene data, med ulik: Skrivebeskyttelse Deling

31

32 Kode Deles (flere tråder) Skrivebeskyttet Public Deles Ikke skrivebeskyttet static Private Deles ikke Ikke skrivebeskyttet static Stakk Deles ikke Ikke skrivebeskyttet Heap Deles ikke Ikke skrivebeskyttet