memoria virtual universidad sistema operativo

1. Sistemas Operativos
BENÍTEZ, ANA MARÍA
FERNANDEZ HUNKO, DIEGO
1
Profesorado Universitario de Computación

2. AGENDA
 Memoria Virtual Paginada
 Paginación por demanda
 Fallo de página
 Tabla de páginas.
 Reemplazo de página.
 Algoritmos de reemplazo
 Ejemplos de implementación en Linux y Windows 10.
2

3. Jerarquía de Memoria del
computador
3
VELOCIDAD
COSTE POR BIT
CAPACIDAD

4. Memoria Virtual
4
• Técnica que permite la ejecución de procesos que no se
encuentran cargados en memoria principal.
• La idea es mantener en memoria principal sólo los
fragmentos de cada proceso que se estén utilizando.
• La MMU se encarga de mapear las direcciones virtuales
a físicas

5. Implementación
5

6. Ventajas de MV
Los programas no estarán restringido por la cantidad de
memoria física disponible.
Ejecutar mayor cantidad de programas al mismo tiempo.
Menos operaciones de E/S para cargar o intercambiar
cada programa de usuario.
Libera al programador de la preocupación de que sus
programas quepan en memoria.
Optimiza el uso de memoria.
6

7. Desventajas de MV
El sistema puede comportarse de manera más lenta debido a
la gran carga de los datos.
Ocupa un área de disco duro que queda reservada solo para
ella y el resto del sistema no puede contar con ella.
No resulta fácil implementarla
7

8. Esquema general de Memoria Virtual
8

9. Espacio de direcciones virtuales
9
 De un proceso hace referencia a la
forma lógica de almacenar un proceso
en memoria.
 Esta forma consiste en que el proceso
comienza en una cierta dirección lógica
(ejemplo, dirección 0) y está almacenado
de forma contigua en la memoria.
Espacio de direcciones virtuales

10. Paginación bajo demanda
 Trae una página a memoria sólo cuando hace falta
 La E/S se reduce
 Se requiere menos memoria
 La respuesta es más rápida
 Puede haber más procesos en memoria
 Se necesita una página  la página es referenciada
 referencia inválida  aborta
 no está en memoria  se trae a memoria
 “Intercambiador” perezoso
 El intercambiador que trabaja con páginas es un paginador
10

11. Bit de Validez
 En cada entrada de la tabla de páginas hay un bit de validez
v  en memoria,
 i  no en memoria o acceso ilegal
 Al comienzo el bit de validez es inicializado a i en todas las entradas
 Ejemplo de tabla de páginas:
 Durante la traducción de direcciones, si el bit de validez de la entrada
de la tabla de páginas es i  fallo de página 11

12. Tabla de Páginas
12
Son una parte integral del Sistema
de Memoria Virtual en sistemas
operativos, cuando se utiliza
paginación.
Permite marcar una entrada como
inválida mediante un bit válido-
inválido o mediante un valor
especial de una serie de bits de
protección.
Tabla de páginas cuando algunas páginas no se
encuentran en MP

13. ¿Qué sucede si se trata de acceder a una página
y esta no está en memoria?
13

14. Fallo de Página
Fallo de Página
14

15. Procedimiento para el manejo de un Fallo de
Páginas
15

16. 16

17. 17

18. 18

19. 19

20. 20

21. 21

22. Hardware necesario para soportar
Paginación bajo demanda
Tabla de página: Permite marcar una entrada como inválida
mediante un bit válido-inválido o mediante un valor especial de
una serie de bits de protección.
Memoria secundaria: Almacena aquellas páginas que no están
presentes en memoria principal.
Disco de alta velocidad  dispositivo de intercambio
Sección  espacio de intercambio
22

23. Rendimiento de la paginación bajo
demanda
Es crucial mantener una tasa de fallos de página baja en
los sistemas de paginación bajo demanda.
Si no es así, el tiempo efectivo de acceso incrementa,
ralentizando enormemente la ejecución de los procesos.
23

24. Sustitución de páginas
Utiliza la siguiente técnica:
Si no hay ningún marco libre, localiza uno que no
esté siendo actualmente utilizado y lo liberamos.
Podemos liberar escribiendo su contenido en el
espacio de intercambio y modificando la tabla de
página (y demás tablas) para indicar que esa
página ya NO se encuentra en memoria.
24

25. Sustitución de Páginas
25

26. Rutina de servicio del fallo de
página
26
1. Hallar la ubicación de la página deseada dentro del disco.
2. Localizar un marco libre:
a) Si hay marco libre, utilizarlo
b) Si no hay marco libre, usar un algoritmo de reemplazo de página
para escoger un marco víctima.
c) Escribir la página víctima en el disco y actualizar tablas
3. Leer la página del disco y colocarla en el marco recién liberado y
actualizar tablas
4. Finalmente reiniciar el proceso de usuario.

27. Sustitución de Páginas
Si NO hay marco libre se necesitan 2 transferencias de páginas:
Una de carga y otra de descarga.
Duplica el tiempo de servicio del fallo de página e incrementa
correspondientemente el tiempo efectivo de acceso.
.
Podemos reducir la sobrecarga por transferencias de páginas
# Se usa el bit de modificación ( o bit sucio): sólo las páginas
modificadas se escriben a disco
Activado
No Activada
27

28. Sustitución de páginas
• Con la paginación bajo demanda, el tamaño del espacio
lógico de direcciones ya no está restringido por la memoria
física.
• Dos problemas a resolver cuando utilizamos paginación
bajo demanda:
•  Algoritmo de asignación de marcos
 Algoritmo de sustitución de páginas
• Probablemente cada SO tenga su propio esquema de
sustitución
28

29. Algoritmos de Reemplazo de Páginas
Los algoritmos se EVALUAN ejecutándolos sobre una
cadena de referencias a memoria y calculando el
número de fallos de página producidos con esa cadena.
29
¿Cómo podemos seleccionar un algoritmo de sustitución concreto?
TASA DE FALLOS DE PÁGINAS MÁS BAJA
Generar cadenas de referencias
Forma artificial
(generador de número aleatorios)
# Obtener una traza de un sistema
determinado y
registrar la dirección de cada
referencia de memoria

30. Número de fallos de página
Cadena de referencias
Algoritmo de sustitución
Número de Marcos de página disponible.
Incrementa el número de marcos, reduce el
número de fallos de páginas.
30

31. Fallos de página en función del
número de marcos de Página
Cadena de referencia: 1, 4, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1
3 o más marcos de páginas  3 fallos de página
Uno para la primera referencia a cada página.
1 solo marco  11 fallos de página
Tendríamos una sustitución por cada referencia
31
Gráfica fe fallos de página
en función de número de
marcos

32. Algoritmo FIFO (First-In-First-Out)
Primero en entrar, primero en salir
32
• Es el algoritmo más sencillo para el reemplazo de página.
• Asocia a cada página el momento en que ésta fue traída a memoria.
• Cuando una página debe ser reemplazada
• se selecciona a la más antigua.
• Una cola FIFO: almacenar todas las páginas en memoria y sustituir la
situada al principio de la cola.
Es fácil de entender y programar Su rendimiento no es bueno

33. Reemplazo de Páginas FIFO
33
• Cadena de referencia: 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1
• 3 marcos de páginas
• 15 fallos de páginas.

34. Reemplazo de Páginas FIFO
34
• Cadena de referencia: 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1
• 3 marcos de páginas
• 15 fallos de páginas.

35. Cadena de referencia: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
35
• 3 marcos de páginas  9 fallos de páginas
• 4 marcos de páginas  10 fallos de páginas

36. Anomalía de Belady
36

37. Algoritmo Óptimo
Reemplaza la página que no será usada por el período
de tiempo más largo.
Ejemplo con 4 marcos
Garantiza la tasa de fallos de página más baja posible.
37
• 3 marcos de páginas  9 fallos de páginas
• Mucho mejor ya que solo 9 fallos de páginas ante 15 de FIFO

38. Algoritmo Óptimo
Reemplaza la página que no será usada por el período
de tiempo más largo.
Ejemplo con 4 marcos
Garantiza la tasa de fallos de página más baja posible.
38
• 3 marcos de páginas  9 fallos de páginas
Este algoritmo se usa para estudiar los accesos futuros a memoria el rendimiento
de otros. Ya que no se puede implementar.

39. Algoritmo LRU (Least Recently Used)
Menos usadas recientemente
39
• 3 marcos de páginas  12 fallos de páginas
• Mucho mejor ya que solo 12 fallos de páginas ante 15 de FIFO

40. Problema de Algoritmo LRU
40
Implementaciones
Contadores Pila

41. Algoritmo LRU - Contadores
41
Implementaciones
 Caso más sencillo.
 Cada entrada de página tiene un contador, cada ves que la página es
referenciada se copia la hora en el contador.
 Cundo una pagina necesita ser cambiada, se miran los contadores para
determinar cúal se cambia.
 Requiere una búsqueda en la tabla de páginas para localizar la menos
usada recientemente

42. Algoritmo LRU - Pila
42
 Se mantiene una pila de números de páginas:
 cada vez que se hace referencia a una página, se extrae esa página de la pila
y se coloca en la parte superior.
 La página más recientemente usada estará siempre en la parte superior
 La menos recientemente utilizada en la inferior.

43. 43 / 7
Aproximación LRU
Concepto básico
Bit de referencia, si el valor del bit es 1 la página
fue accedida (lectura o escritura.)
Después un tiempo se puede determinar qué
páginas fueron usadas examinando el bit de
referencia, pero no en que orden.

44. 44 / 7
Algoritmo de los bits de
referencia adicionales
Para cada página se tienen p.e. 8 bits, a intervalos
regulares se modifica un bit marcando si se
referenció la pág. transformado a decimal el
valor más chico se selecciona para reemplazar.

45. 45 / 7
Algoritmo de segunda
oportunidad (del Reloj)
Se evalúa su bit de referencia:
 Si es 1, la pág se usó, se cambia a 0 y se pasa a la
siguiente página.
 Si es 0 se reemplaza esa página
 Implementación con una cola circular, el puntero
apunta a la posible víctima.

46. 46 / 7
Algoritmo de segunda
oportunidad mejorado
Al bit de referencia se le agrega un bit de modificación.
Tomados como par ordenado:
 (0,0) no referenciada y no modificado, víctima ideal,
 (0,1) no usada recientemente pero modificada, no tan
buena, hay que descargarla al disco
 (1,0) se usó pero no se modificó, posiblemente se vuelva a
usar
 (1,1) referenciada y modificada, posiblemente se use y hay
que escribirla a disco.

47. 47 / 7
Reemplazo basado en contador
LFU (Least Frecuently Used, menos frecuentemente
usado) la pág. con el contador más chico se
reemplaza. Contador alto pagina en uso activo.
MFU (Most Frecuently Used, mas frecuentemente
usado), se reemplaza la que tenga el contador
más alto. Contador bajo página recién cargada.

48. 48 / 7
¿Cómo asignamos los marcos a los procesos?

49. 49 / 7
Asignación equitativa

Es fácil

Dado m marcos disponibles y n procesos,
asignamos m/n marcos a cada proceso.

¿Problema?
 Un proceso puede no necesitar tantos marcos
los cuales se desperdician.

¿Solución?

50. 50 / 7
Asignación proporcional

Se asignan dependiendo del tamaño del proceso.
 A cada proceso pi
se le asignan ai
= (si
/S) x m
marcos,
 Donde :
 si
: tamaño de la memoria virtual para pi
 S: total de marcos necesarios (S = Σ si
)

m: total de marcos disponibles

51. 51 / 7
Asignación proporcional (cont.)
 ai
tiene que ser un número mayor que número mínimo
de marcos requeridos, sin exceder la suma de m.

Si se incrementa la multiprogramación los procesos
reciben menos marcos.

Procesos de alta y baja prioridad tratados de igual
manera.
 Asignar según la prioridad o una combinación de
tamaño y prioridad

52. 52 / 7
Asignación global y local

Reemplazo global: se escoge para reemplazar
un marco de cualquier proceso, un proceso
puede tomar un marco de otro

Reemplazo local: se escoge para reemplazar un
marco del proceso que necesita la página

53. 53 / 7
Sobrepaginación,
Hiperpaginación, Thrashing

Un proceso pasa más tiempo paginando que
ejecutándose

El uso de CPU cae

El SO agrega un nuevo proceso para aumentar la
multiprogramación.

54. 54 / 7
Hiper-paginación: soluciones
 Reducir el grado de multi-programación.
 Utilizar algoritmo de sustitución local.
 Asignar tantas páginas como necesite.
 ¿Cómo saber?

55. 55 / 7
Conjunto de trabajo
 Basado en la localidad de un programa
 Dado Δ, que es una ventana del conjunto de
trabajo
 Éste será igual a las últimas Δ referencias.
 Si Δ es pequeño, el conjunto no abarca la
localidad completa. Muy grande, solapamiento de
localidades. Infinito conjunto es igual a las págs.
utilizadas.

56. 56 / 7
Conjunto de trabajo (cont.)
 Propiedad importante, tamaño del conjunto de
trabajo WSSi
, para cada proceso.
 Si la demanda total D = Σ WSSi
es mayor a m
habrá sobre hiper-paginación.
 D < m, se puede agregar un nuevo proceso, sino
el SO suspende uno y reasigna sus marcos.

57. 57 / 7
Frecuencia de fallos de página
 Dada una tasa de fallos de página, establecer un
límite superior y uno inferior
 Por encima del límite superior asignar más
marcos
 Por debajo quitar marcos a ese proceso.

58. Ejemplos de Sistemas Operativos
58
Windows 10
• Sistemas de 32 bits
 el espacio de direcciones virtuales predeterminado de un proceso es de 2
GB, puede ampliarse a 3 GB.
 Admiten 4GB de memoria Física
Implementa la mayoría de las características de administración de memoria:
 Bibliotecas compartidas
 Paginación a demanda
 Copia en escritura, paginación
 Compresión de memoria....
• Sistemas de 64 bits
 el espacio de direcciones virtuales predeterminado de un proceso es de 128
TB, puede ampliarse a 3 GB.
 Admiten 24 TB de memoria Física

59. Ejemplos de Sistemas Operativos
59
Windows 10
• Implementa paginación de demanda con agrupamiento.
• Administración de conjuntos de trabajos.
• Usa el algoritmo de reloj de aproximación LRU, con una
combinación de políticas de reemplazo de página locales y
globales. El administrador de memoria virtual mantiene una lista
de marcos de página libres