Sistemas Operacionais

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1 Introdução Sistemas Operacionais Paginação por demanda ção Trabalho sob a Licença Atribuição-SemDerivações-SemDerivados 3. Brasil Creative Commons. Para visualizar uma cópia desta licença, visite Aula 3 Gerência da memória virtual executa duas decisões importantes Na ocorrência de uma falta (page-fault) decidir qual página deve ser substituída política de substituição Decidir quanto de memória (quantidade de quadros) deve ser alocado para cada processo política de alocação de quadros ção Necessário quando ocorre uma falta de página (page-fault) e não há quadros livres disponíveis Objetivo: escolher uma página (a vítima ) para ir para a área de swap liberando o quadro para a página faltante. Paginação por demanda = Política de substituição + Políticas de alocação de quadros Sistemas Operacionais Componentes do gerente de memória virtual Política de substituição Política de substituição de páginas Tabelas... Lista quadros livres Política de alocação de memória Meta a ser atingida Escolher como página vítima aquela que provavelmente não será referenciada em um futuro próximo. Evitar que a solução de uma falta de página gere uma outra na sequência Critério básico de escolha Determinar a página menos necessária Possível considerar: Nem toda página necessita sofrer page-out Páginas não modificadas e páginas read-only (código) Páginas que nunca deve ser substituídas (frame locking ou pinning) e.g.: código e estruturas de dados do sistema operacional, buffers de E/S Page-in Page-out Hardware de paginação (MMU) (modificação, acesso, presença...) Gerência de memória virtual usa duas estruturas de dados Tabela Lista de livres Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4

2 Algoritmos de substituição de página String de referência Implementam uma política com o objetivo de minimizar a taxa de falta Algoritmos básicos: Ótimo FIFO LRU Atuam para diminuir p! Modelo que representa o rastro de execução de um programa m n m: número de página alocada em memória por um processo n: número distintas no string de referência Simula uma sequência de acessos a páginas e.g.: string de referência: Critérios de avaliação Quantidade de falta Quantidade total movimentadas de/para a memória Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 Algoritmo ótimo First in, First Out (FIFO) Apresenta uma taxa de falta a mínima possível Nenhuma política apresenta melhor resultado Objetivo: r a página que não será referenciada dentro do maior período de tempo possível Critério é baseado na hora que uma página será usada Problema é que necessita conhecer o futuro Mais simples Solução é usar aproximações Usado como referência para comparar/avaliar algoritmos Princípio Associa a cada página a hora em que foi carregada para memória a página mais antiga na memória (página vítima) Pode ser implementada por uma fila Não é necessário registrar uma hora Ao ser carregada na memória, a página vai para o final da fila sempre a que está na frente da fila Problema Não considera a utilização da página Página pode ser antiga, mas ainda ser útil Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Least Recently Used* (LRU) Exemplo de uso das políticas de substituição Baseada no principio da localidade A página deve ser a de menor probabilidade de ser referenciada em um futuro próximo A página a ser substituída é a que foi referenciada a mais tempo Cada página possui a hora da última referência Inicializado no momento da carga e atualizado a cada acesso Decisão com base na hora em que a página foi usada pela última vez Considerando Um processo com três páginas (, e ) Memória RAM com apenas dois quadros (A e B) Com o string de referência (SR),,,,,,... Página Bit de válido (presença) Tabela Informação Referência RAM Quadro A Quadro B 3 páginas para quadros!!! Sistemas Operacionais *Menos recentemente usada 9 Sistemas Operacionais t t t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 tempo Páginas acessadas valid. ref Ótimo por por valid. ref t t t t t t t 4 t 5 t 4 t 5 t 6 t 6 t 7 FIFO por por por por valid. ref t t t t 3 t t 3 t 4 t 5 t 4 t 5 t 6 t 6 t 7 LRU por por por Anomalia de Belady 3 quadros Política FIFO SR = 5 4* 3* * * 4* 3* 5* 4 3 * * 5 9 faltas 4 quadros SR = 5 4* 3* * * 4 3 5* 4* 3* * * 5* faltas Aumentou a alocação, aumentou a quantidade de falta!!! Sistemas Operacionais

4 Anomalia de Belady Algoritmos de pilha Algoritmos ótimo e LRU não sofrem com a anomalia de Belady Falta Quadros alocados FIFO Falta LRU Quadros alocados Pertencem a categoria de algoritmos de pilha Propriedade O conjunto para alocação de n quadros é sempre um subconjunto do conjunto de uma alocação com n+ quadros. Possível provar para alocações que respeitem n < m quadros Ao aumentar a quantidade de quadros alocados a um processo, se diminui a sua taxa de faltas Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4 ção na prática Aproximação de LRU Algoritmos clássicos apresentam problemas Ótimo: necessita conhecer referências futuras FIFO: apresenta anomalia de Belady LRU: necessita registrar o tempo de referência a cada acesso às páginas O hardware dos processadores oferecem normalmente Interrupção de relógio Interrupção de falta de página e de proteção Um bit para indicar acesso a página Um bit para indicar modificação (dirty bit) Não viável ficar atualizando tempo de acesso Possibilidade de usar outros métodos como aproximação Pilha de referência Na verdade é uma lista encadeada: páginas quando acessadas vão para o topo da pilha, seleciona como vitima a base da pilha Emprego do bit de referência Contador: introduz um contador por página e incrementa, periodicamente, esse contador com o valor do bit de referência Problema: não esquece o passado (não reseta o contador) Histórico de bits Forma de manter apenas o histórico recente (esquecer o passado) Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6

5 Exemplo: construção de histórico de bits de referência Política Not Recently Used (NRU) Versão simples Desvantagem: custo de implementação em hardware (área) e em software (processamento) Usando apenas bit de referência (R) Coloca em quando carrega, em quando referência Em falta página: reseta todos os bits R e escolhe uma página aleatória Pode ser que a falta aconteça antes de todas as página serem referenciadas novamente, nesse caso, descarta a que tem R= Melhoria: tentar manter uma ideia de quando as páginas foram referenciadas Resetar o bit R periodicamente Usar o bit M (modificação ou sujo) Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8 Política Not Recently Used (NRU) melhorada Algoritmo de substituição de segunda chance Empregar bits de referência (R) e modificação da página (M) e interrupção de tempo Postos para zero quando a página é carregada para a memória e posto em quando a página é referenciada (bit R) ou modificada (bit M) Periodicamente reseta o bit de referência (R) para distinguir as páginas que não foram referenciadas recentemente (não reseta o bit M) Classifica a página em Classe : não referenciada, não modificada (R=; M=) Classe : não referenciada, modificada (R=; M=) Classe : referenciada, não modificada (R=, M=) Classe 3: referenciada, modificada (R=, M=) Ordem de remoção (classe mais baixa primeiro) Modificação no comportamento FIFO Objetivo é evitar que uma página que está sendo usada seja selecionada como vítima Inspeciona, além da ordem da chegada, o bit de referência. SE: bit R=: página é antiga na memória e não tem sido referenciada bit R=: página é antiga, mas tem sido referenciada Reseta o bit de referência e insere no final da fila (como se fosse recém carregada) Comportamento Procura pela página mais antiga que não tenha sido referenciada no intervalo de relógio mais recente Se todas as páginas foram referenciadas, degenera para FIFO puro Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais

6 Algoritmo do relógio Algoritmo do relógio (generalização) Objetivo é eliminar movimentações do segunda chance Evitar o retira da fila e reinsere no final da fila Organiza as páginas de todos os processos em uma lista circular Existem ponteiros para as páginas Páginas apontadas pelos ponteiros são examinadas e uma ação é tomada Pode ser aplicado as páginas pertencentes a um único processo Algoritmo um ponteiro Em caso de page-fault Se bit R=, a página é removida e o ponteiro é avançado de uma posição, caso contrário, reseta bit R e avança para analisar a próxima. Existência de dois ponteiros, um distanciado do outro Primeiro ponteiro reseta o bit R (resetting pointer - RP) Segundo ponteiro analisa o bit R (examining pointer EP) Ambos são incrementados simultaneamente A distância entre os ponteiros fornece propriedades diferentes EP RP 7, ref 3 8, ref 9 6,ref EP RP 7, ref 8, ref Forma proativa!! 9 livre! Sistemas Operacionais Sistemas Operacionais Diagrama esquemático gerência de falta Leituras complementares O objetivo é manter a lista de quadros livres com um certo número de quadros: Ativado se abaixo de um nível: varre a memória buscando por quadros que podem ser liberados Se acima: vai para sleep Páginas marcadas como sujas vão sendo transferidas para swap em background. Ativado em falta de página. Verifica se página está na lista de quadros livres Sim: pega de volta. Não: aloca quadro livre e aciona page-in Tratador de falta Tabelas Faz page-out das páginas sujas que estão na lista de livres e limpa o bit de sujo. Gerência de quadros livres Gerência de memória virtual Lista de quadros livres Gerência de E/S Área de swap A. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos (3 a edição), Pearson Brasil,. Capítulo 3: seção 3.4 A. Silberchatz, P. Galvin; Sistemas Operacionais. (7 a edição). Campus, 8. Capítulo 9: seção 9.4 e 9.5 R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora Bookman 4 a edição, Capítulo 7 (seções 7. e 7.3) Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4