memoria virtual msc. rina arauz. gestión de memoria 2 introducción n problema: ejecutar programas...

Memoria Virtual

Msc. Rina Arauz

Gestión de memoria 2

Introducción Problema: ejecutar programas de tamaño mayor que la

memoria disponible. Soluciones

Memoria virtual: Control realizado por el S.O.

La memoria virtual es una técnica de gestión de la memoria que permite que el sistema operativo disponga de mayor cantidad de memoria de la que existe físicamente.

La memoria virtual (MV) se basa en el principio de localidad de las referencias.

Memoria Virtual

Consiste en utilizar el disco duro como memoria principal y almacenar en RAM solamente las instrucciones y los datos que están siendo utilizados por el procesador, la idea es mantener en memoria principal sólo la información que se necesite en cada momento, el espacio en el disco duro (HDD) se usa como si fuera RAM.


En windows se puede encontrar la memoria virtual en forma de un archivo llamado pagefile.sys en el disco primario (“C:” ) (propiedades de Mi PC, Opciones avanzadas). El limite máximo del archivo paginado (o Memoria Virtual) es de 4096Mb por unidad o partición.

Otros SO como Linux dejan una partición del disco dedicada exclusivamente para la memoria virtual, generalmente llamado swap.

El valor recomendado de Memoria Virtual, se obtiene multiplicando la memoria RAM por 2 (máximo 2,5).



Ventajas

Permite aumentar el tamaño de los programas permitiendo que sean mayores que la memoria física.

Permite aumentar el grado de multiprogramación, ya que permite ubicar más procesos en memoria.


Implementación

La memoria virtual puede basarse tanto en mecanismos de paginación como de segmentación.

Lo habitual es que se base en un esquema paginado por las siguientes razones: Al trabajar con bloques de tamaño fijo, las

transferencias desde y hacia el disco son más simples

Las políticas de ubicación son más simples: todos los bloques son iguales


Soporte hardware (Memoria virtual basada en paginación)

Requerimientos hardware: Tabla de páginas Bits en los descriptores de página:

Bit de validez

Bit de referencia

Bit de modificación

Interruptibilidad de las instrucciones Dispositivo de almacenamiento secundario

Tabla de Páginas

Cada proceso tiene su tabla de páginas. (TdP) Cada entrada en la tabla contiene el número de marco en memoria principal

donde dicha página fue cargada, bit de validez, de referencia y modificación.

Bit de validez o de Presencia: indica si la página está cargada en la memoria principal. “1” si la página está almacenada en memoria principal, “0” si la pagina NO está en Memoria principal (fallo de pág). Cuando se intenta acceder a una página que no se encuentra cargada en memoria se produce un fallo de página.

Bit de referencia: Se activa cuando una página se accesa es decir cuando se accede a una dirección lógica que pertenece a esa página.

Bit de Modificación: Se activa cuando hay inconsistencia entre memoria principal y el disco duro. Cuando se ha escrito en una dirección lógica que pertenece a esa página.



BV BR BM Pág. Marco

1 0 0 A M25

1 1 0 B M85

0 0 0 C -

1 1 1 D M02

0 0 0 E -

Tabla de Páginas


Memoria virtual basada en paginación

OUTININ

OUTOUTIN

zx

y

(P0)(P4)

(P3) (P0)(P1)

(P2)

(P5)(P4)(P3)

Tabla del mapa de páginas Tabla del mapa

de archivos

Memoriaprincipal

Memoriasecundaria


Carga dinámica

Programa

S. O.

Memoria principal

Marco libre

0

Tabla de páginas

2Excepción

3La página estáen memoria auxiliar

4 Cargar lapágina quefalla

Memoria secundaria

LOAD M6

1Referencia

Reiniciar la instr.

5Actualizar latabla de páginas


Paginadores

Son la parte del SO responsable de mover páginas entre la MP y el disco y viceversa.

Pueden ser de tres tipos: De archivos (mmap, exec) De objetos anónimos (swap) De dispositivos (frame buffer)


Tasa de fallos de página

Es la probabilidad de que se produzca un fallo de página p = número de fallos / número total de

referencias: 0 p 1

Número de marcos

Tasa de fallos de páginaLa tasa de fallos depágina disminuye cuando aumenta el número de marcos


Tiempo de servicio del fallo de página

Los tiempos que más afectan son: Los cambios de contexto Salvar una página modificada a disco (page out) Cargar la página referencia de disco a memoria

(page in) El planificador asigna la CPU a otros procesos

mientras se realizan las lecturas (page in) y escrituras asociadas al fallo de página


Rendimiento de la paginación

Tiempo de acceso efectivo (TAE): TAE = (1 - p) * TAM + p * (1 + pm) * TTP

donde:

TAM: tiempo de acceso a memoria

TTP: tiempo de transferencia página/disco

p: tasa de fallos de página

pm: probabilidad de que la página a reemplazar haya sido modificada


Hiperpaginación (Thrashing)

Hiperpaginación: Un proceso genera fallos de página frecuentemente y el sistema pasa la mayor parte del tiempo paginando

Grado de multiprogramación

Thrashing

Utilización de la CPU


Hiperpaginación (Thrashing)

Posible causa de la hiperpaginación: Un proceso necesita más marcos, su tasa de fallos de página aumenta y se produce la siguiente reacción en cadena: Disminuye el uso de la CPU El S.O. decide aumentar el grado de

multiprogramación La tasa de fallos de página se incrementa más

Soluciones: Reducir la multiprogramación o emplear un

algoritmo de reemplazo local o por prioridades Prevenir la hiperpaginación

Tamaño de Página (Consideraciones)

Página pequeña se requieren más páginas por proceso tablas más grandes menor fragmentación interna.

Páginas grandes se requieren menos páginas por proceso tablas pequeñas mayor fragmentación interna.

Memoria secundaria está diseñada para transferir eficientemente grandes bloques de datos, luego por todo lo anterior podríamos concluir que es mejor tener páginas más grandes.



Algoritmos

Política de asignación: ¿Qué cantidad de memoria real se asigna a un proceso activo?

Política de ubicación: ¿Dónde puede ubicarse un bloque en memoria principal?

Política de búsqueda: ¿Cuándo y qué bloques traer del almacenamiento secundario a MP? Paginación anticipada Paginación por demanda

Política de reemplazo: ¿Qué bloque debería sustituirse al traer a memoria principal un nuevo bloque si no hay memoria libre?


Políticas de asignación

El mínimo número de marcos que debe asignarse a un proceso está definido por la arquitectura.

Tipos de algoritmos de asignación: Asignación equitativa Asignación proporcional Asignación prioritaria


Políticas de ubicación

Políticas de ubicación: En paginación: “Indiferente”

En segmentación

First fit: el primero que sirva

Next fit: el siguiente que sirva

Best fit: el que mejor se adapte

Worst fit: el que peor se adapte

Sistema Buddy


P2

P1

P1

Sistema Buddy

256

1024 Kb

256

128

P1

128

128

128 64

P2

64

P2

P2

64

64

P4

P4

P3

P3

P3

P3

P3

128

128

128

128

128

512

512

512

512

512

512

512

1024 Kb

256

Inicial

P1 pide 70

P2 pide 35

P3 pide 80

Devuelve P1

P4 pide 60

Devuelve P2

Devuelve P4

Devuelve P3

1

3

3

3

4

3

4

3

1

Bloques libres


Paginación por demanda

El camino que toma un programa cuando se está ejecutando no es predecible Se cargan las páginas a medida que se

necesitan Ventajas:

Las páginas traídas son las que realmente se necesitan

La sobrecarga que implica la decisión de qué páginas traer al almacenamiento principal es mínima


Paginación anticipada (prepaginación)

Trata de evitar los retardos por fallos de página Se cargan un cierto número de páginas en base

a una predicción Ventajas:

Si la predicción es buena, el tiempo de ejecución de los procesos se reduce considerablemente

Con la reducción de costes del hardware, las consecuencias de una mala predicción son menos graves


Reemplazo de páginas

Es necesario cuando se produce un fallo de página y está toda la memoria llena

Tasa de fallos uno por cada 106 – 2 x 107 accesos Si hay un fallo de página (miss) hay que:

Encontrar la página demandada en memoria auxiliar

Encontrar un marco libre o liberarlo usando un algoritmo de reemplazo de páginas

Cargar la página en memoria principal (page in) Transferir el control al proceso de usuario


Algoritmos de reemplazo de páginas

Se pretende utilizar el algoritmo que seleccione páginas que causen la frecuencia de fallos más baja

Criterios para valorar la calidad de los algoritmos de sustitución: Baja sobrecarga Sin ajustes (“No tuning”) Aproximación al LRU (menos usada

recientemente)


Cadenas de referencia

Para evaluar la calidad de los algoritmos de sustitución se consideran: Cadenas de referencia: listas de referencias a

páginas Número de marcos de página de que se dispone

Obtención de las cadenas de referencia: Artificialmente, de forma pseudoaleatoria Grabando una traza de ejecución


Cadenas de referencia

Ejemplo: 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 0103, 0104 0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 0105 Con páginas de 100h palabras Cadena de referencias:

sólo nos interesa el número de página si se referencia una página p, las referencias inmediatamente

sucesivas a esa página nunca causarán fallo de página

1, 4, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1 Con tres marcos habrá 3 fallos y con 1 marco 11

fallos si el número de marcos aumenta, en general, el

número de fallos de página disminuye


Algoritmos de reemplazo de páginas

Existen diferentes algoritmos, entre ellos: Algoritmo óptimo Algoritmo FIFO Algoritmo LRU Algoritmos de aproximación al LRU


Algoritmo óptimo

Se reemplaza la página que va a tardar más tiempo en ser usada

La tasa de fallos es la más baja posible Algoritmo imposible de realizar

Criterio comparativo


Algoritmo óptimo

Ejemplo: Cadena de referencia

Marcos de páginaMarcos de página

330011

11

77

7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0

00

77

11

00

77

77

11

00

7722

00

22

1133 33

00

22

00

22

33

0044

22

33

44

22

33

44

22

44

33 33

00

22

33

00

22

3311

00

22

11

00

22

11

00

22

8 fallos de página

4400

22


Algoritmo FIFO

Sustituye la página que lleva más tiempo en memoria

Ejemplo: Cadena de referencia


222200

11

77

00

77

11

00

77

77

11

00

7722

00

22

11

00

00

33

22

44

33 33

22

00

33

22

00

33

22

22

11

00

33

22

11

44

33

00

00

0033

22

44

11

00

33

3322

11

00

22

4400

3322

44

1100

33

22

12 fallos de página

7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0


Algoritmo FIFO

Algoritmo sencillo de entender e implementar Inconvenientes:

Rendimiento del algoritmo pobre. Páginas frecuentemente usadas pueden ser sustituidas

Se puede producir la Anomalía de Belady: aumento del número de fallos de página al aumentar el número de marcos


Anomalía de Belady

Ejemplo: Con 3 y 4 marcos de página

1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5

Con 3 marcos, 9 fallos de página

5511 4422 33 11

1111 4422 33 22

11112211

332211

332211

2233 22

1122 22

551155

2211

2233

44

44

331144

221144

1155 55

443355

3355

33

112211

332211

11

33221144

33 221155

22

22 443355

22

44

44

22

11

2211

44

22

33221144

1144

221155

1155

3355

3355

Con 3 marcos, 9 fallos de págnaCon 3 marcos, 9 fallos de págnaCon 4 marcos, 10 fallos de página

331111

2211

332211

44332211

44332211

44332211

44332255

22

44331155

3344221155

4433221155

33

55

221144

33225544

1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5


Algoritmo LRU (Least Recently Used)

Algoritmo de aproximación al reemplazo óptimo Basado en utilizar el pasado reciente como una

predicción del futuro más próximo Sustituye la página menos usada en el pasado

inmediato Carece de la anomalía de Belady La implementación requiere de hardware adicional:

Campo en las entradas de la tabla de páginas Pila de las páginas en memoria


Algoritmo LRU (Least Recently Used)

¿Podría comportarse erróneamente el algoritmo con un bucle que ocupa varias páginas?

Ejemplo:

Cadena de referencia


002211

11

770077

110077

77

11007722

0022

11 33 330022

44

22 223300

223300

2233

11 fallos de página

330022 44

33

3322

00

2200 33

4400 00

223311

0022

0044

3344 11

33

22330011

7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0


Algoritmos de aproximación al LRU

Existen diferentes algoritmos, entre ellos: Algoritmo del reloj global Algoritmo FIFO con segunda oportunidad Algoritmo NFU

memoria virtual msc. rina arauz. gestión de memoria 2 introducción n problema: ejecutar programas...

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