Memoria virtual - La web de Sistemas Operativos (SOPA)

Sistemas Operativos
Tema 9. Memoria virtual
© 1998-2012 José Miguel Santos – Alexis Quesada – Francisco Santana –
Belén Esteban
1
Memoria virtual
n 
n 
n 
n 
n 
La memoria virtual es una técnica que
permite la ejecución de procesos
parcialmente cargados en memoria principal
Los programas pueden ser más grandes que
la memoria física
Se utiliza el disco como almacén secundario
de procesos
Libera al programador de la preocupación de
que sus programas quepan en memoria
La idea es mantener en memoria principal
sólo los fragmentos de cada proceso que se
estén utilizando
2
Memoria virtual
n 
Programas reales à en muchos casos no se
necesita todo el programa
q 
q 
q 
n 
n 
Código que maneja condiciones de error poco comunes (casi
nunca se ejecuta)
En muchos casos se reserva más memoria de la necesaria
(vectores, tablas, etc...)
Opciones y funciones del programa que se usan con muy
poca frecuencia (copias de seguridad J, listados específicos,
etc...)
El sistema operativo selecciona automáticamente
qué fragmentos del proceso residen en memoria
principal
Ojo, todo esto es bastante complejo de resolver
3
Memoria virtual
n 
Si empleamos m.v., con poca memoria física se
pueden atender grandes demandas de
memoria:
q 
q 
q 
el programador no tiene que preocuparse tanto de la
escasez de memoria
eliminamos la necesidad de técnicas como los
recubrimientos (overlays) cuya responsabilidad recae
en el programador
“caben más procesos simultáneamente en la memoria
física” -> aumenta la productividad de la CPU
4
Memoria virtual
n 
n 
Riesgo: si escogemos mal los fragmentos en
memoria principal, tendremos que recurrir al
disco con frecuencia
La m.v. funciona porque los programas cumplen
una fuerte localidad: los siguientes accesos a
memoria suelen estar cerca de los anteriores
5
Memoria virtual
n 
n 
Por tanto, con m.v. los procesos se cargan
parcialmente en memoria real, siendo el SO el
que lleva a cabo toda la gestión del espacio de
forma transparente al programador
El SO decide:
q 
q 
q 
Qué partes cargar
Cuándo cargarlas
Dónde ubicarlas
6
Memoria virtual: esquema general
7
Paginación por demanda
(demand paging)
n 
n 
Técnica más habitual para implementar memoria
virtual
Combinar paginación con intercambio (swap)
q 
q 
En lugar de intercambiar un proceso entero, ahora sólo
intercambiamos algunas páginas
Ideal:
n 
n 
n 
Cuando un proceso se va a traer a memoria, el paginador
“adivine” cuales son las paginas que va a usar
De esta forma, en lugar de traer a memoria todo el proceso, el
paginador sólo trae las páginas necesarias
De esta forma se evita leer y colocar en la memoria páginas que
no se usan, reduciendo de esta forma el tiempo de intercambio y
la cantidad de memoria física requerida
8
Paginación por demanda
n 
Si no tenemos todas las páginas en memoria,
cuando se referencia a una página concreta,
¿Cómo saber si está en memoria?
q 
q 
Necesario distinguir entre páginas válidas (en
memoria principal) y no válidas (sólo en disco)
Las páginas válidas/no válidas se marcan en la tabla
de páginas por medio de un bit de validez
9
Paginación por demanda
10
Paginación por demanda: la idea
SI ADIVINAMOS CORRECTAMENTE Y TRAEMOS A LA
MEMORIA SOLO LAS PAGINAS QUE SE NECESITAN,
EL PROCESO SE EJECUTARA EXACTAMENTE IGUAL
QUE SI HUBIERAMOS TRAIDO TODAS LAS PAGINAS
11
Fallo de página
n 
n 
Si se intenta acceder a una página no válida (bit
de invalidez activado), el hardware genera una
excepción llamada fallo de página (page fault)
El fallo de página provoca que el s.o. recupere
del disco (swap area) la página requerida. Se
actualiza la tabla de páginas y se reintenta la
instrucción que ocasionó el fallo
12
Gestión de un fallo de página
13
Explicación del diagrama
anterior
n 
n 
n 
n 
n 
n 
1.- Acceso a la tabla de páginas donde se observa que el bit de validez
indica que no está en memoria => Page _Fault
2.- Guardar los registros del usuario y el estado del proceso
3.- Determinar que la interrupción fue un fallo de página (vector de
interrupciones)
4.- Verificar que la referencia a la página fue válida (el SO consulta una
tabla interna, que usualmente se guarda con el BCP del proceso). Si la
referencia no es válida, se termina el proceso. Si era válida pero todavía
no se ha traído esa página, se determina la posición de la página en el
disco (información que también estará en el BCP) y procedemos a traerla.
5.- Encontramos un marco libre y planificamos una operación de disco
para leer la página deseada y colocarla en el marco recién asignado
6.- Durante la espera, asignar la CPU a algún otro usuario (opcional)
14
Explicación del diagrama
anterior (2)
n 
n 
n 
n 
n 
n 
7.- Interrupción del disco (E/S terminada)
8.- Guardar los registros y el estado de proceso del otro usuario
(si se ejecutó el paso 6)
9.- Determinar que la interrupción provino del disco
10.- Corregir la tabla interna que se guarda junto con el proceso y
la tabla de páginas, de modo que indiquen que la página ya está
en memoria
11.- Esperar que la CPU se asigne otra vez a este proceso
12.- Restaurar los registros de usuario, el estado del proceso y la
nueva tabla de páginas, y reanudar la instrucción interrumpida
15
Paginación por demanda
n 
Caso extremo:
q 
Paginación por demanda pura
n 
n 
Ejecución de una instrucción
q 
q 
n 
Nunca se trae una página a memoria si no se necesita
Puede generar más de un fallo de página (una página para la
instrucción y muchas para los datos)
Problema: rendimiento disminuye considerablemente al
aumentar el nº de fallos de página
Sin embargo, la localidad en los programas hace que
el rendimiento de la paginación por demanda sea
razonable
16
Paginación por demanda: ventajas
n 
n 
Los programadores disponen de un espacio de
memoria mayor que las disponibilidades de
memoria real del sistema
Mejora el rendimiento general del sistema
q 
n 
Mejora el uso de la memoria, mejorando el grado de
multiprogramación y por tanto mejorando la capacidad
de planificación del SO
Pero es importante mantener baja la frecuencia
de fallos de página, ya que de lo contrario el
tiempo de acceso aumentará y frenará
drásticamente la ejecución de los procesos
17
Reanudación de instrucciones
n 
Además del apoyo hardware específico
necesario, ¿Existe algún otro tipo de
restricción para que esta técnica se pueda
implementar?
q 
Necesidad de poder reiniciar una instrucción
después de un fallo de página
n 
Ejemplos:
q 
q 
DECREMENTAR reg[1] y BIFURCAR a la dirección Y si el
resultado es cero
Instrucción MVC del IBM 360
18
Reanudación de instrucciones
n 
n 
n 
Una implicación arquitectónica importante para poder implementar
paginación por demanda, y en general, memoria virtual es que se
puede producir la interrupción de ciertas instrucciones durante su
ejecución
Problemas: reiniciar la instrucción no siempre soluciona el problema
Soluciones:
q 
q 
q 
Deshacer los efectos parciales de la instrucción interrumpida y reiniciar
la instrucción cuando haya sido procesada la excepción
Reanudar la instrucción desde el punto exacto de interrupción cuando el
elemento ausente sea incorporado a memoria
Preexaminar las referencias a memoria buscando fallos de página antes
de comenzar la ejecución de la instrucción
19
Algoritmos de gestión de memoria
virtual
n 
Para la implementación de la paginación por
demanda, el SO debe implementar:
q 
Algoritmo de asignación de marcos
n 
q 
Si tenemos varios procesos en memoria es necesario decidir
cuantos marcos se asignan a cada uno
Algoritmo de reemplazo de páginas
n 
Proceso básico
q 
q 
q 
n 
1.- Atender la interrupción de fallo de página
2.- Traer la página a memoria y colocarla en un marco libre
3.- Reiniciar el proceso
¿Y si no hay marcos libres? à Reemplazo de páginas
20
Algoritmo de reemplazo
n 
Modificación en el proceso básico:
q 
q 
q 
q 
Si no hay marco libre, usar un algoritmo de reemplazo
de página para escoger un marco víctima
Escribir la página víctima en el disco y actualizar
tablas
Leer la página del disco y colocarla en el marco recién
liberado y actualizar tablas
Finalmente reiniciar el proceso de usuario
21
Bit de modificación
n 
Problema:
q 
q 
Si no hay marcos libres se requieren dos
transferencias de páginas
Este gasto extra puede reducirse empleando un
bit de modificación o bit sucio
n 
El hardware pone a 1 el bit de modificación de una
página siempre que se escribe una palabra o byte de la
página
22
Algoritmos de reemplazo: cómo
evaluarlos
n 
n 
Objetivo: Frecuencia de fallos de página sea lo más
baja posible
Evaluamos un algoritmo ejecutándolo con una serie
específica de referencias y calculando el número de
fallos de página
q 
n 
La serie de referencias las podemos generar forma aleatoria o
rastreando la ejecución de un sistema dado y registrando la
dirección de cada referencia a la memoria
Para una serie de referencias determinadas y un
algoritmo concreto, determinar el número de fallos de
página requiere conocer el número de marcos de los
que se dispone en el sistema
23
Ejemplo de cadena de referencias
0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611,
0102, 0103, 0104, 0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101,
0609, 0102, 0105 (decimal)
Si el tamaño de página es de 100 bytes, se reduce a la
siguiente cadena de referencias
1,4,1,6,1,6,1,6,1,6,1
24
Algunos algoritmos de
reemplazo
n 
Básicos
q 
q 
q 
n 
Aproximaciones LRU
q 
q 
q 
n 
FIFO
OPTIMO
LRU – least recently used
LRU con bits de referencia adicionales
LRU de segunda oportunidad o del reloj
LRU de segunda oportunidad mejorado
De conteo
q 
q 
LFU – less frequently used
MFU – most frequently used
25
Algoritmo FIFO
n 
1. FIFO
q 
q 
q 
q 
q 
Se sustituye la página residente que lleve más tiempo en
memoria
Fácil de implementar (cola FIFO de páginas)
Problema: al no tener en cuenta la historia del uso de una
página dada, FIFO puede prescindir de páginas a las que se
accede con frecuencia
Padece la anomalía de Belady (fenómeno paradójico
consistente en que aumenta el número de fallos de páginas
cuando se asignan más páginas reales al proceso)
Propiedad de pila: para cualquier punto en la cadena de
referencia, el conjunto de páginas en N marcos de página es
un subconjunto del que se formaría en N+1 marcos de página
26
Ejemplo: FIFO
27
Efecto Belady
28
Algoritmo de reemplazo óptimo
n 
2. Óptimo
q 
q 
q 
q 
Escoger como víctima la página que más tarde en
volver a ser accedida
Es el algoritmo que presenta la frecuencia de
fallos de página más baja de todos
No implementable (requiere presciencia)
Útil como referencia de comparación
29
Ejemplo: óptimo o mínimo
30
Algoritmo LRU
n 
3. LRU: menos recientemente usada
q  Aproximación implementable del óptimo
q  Se asocia a cada página el instante en que se usó por
última vez, y en caso de reemplazo se escoge la
página que tiene más tiempo sin usarse
q  Implementacion:
n 
n 
q 
q 
Contadores (marca de tiempo)
Pila
Requiere hardware adicional y es costoso
Los sistemas reales implementan aproximaciones a la
LRU
31
Ejemplo: LRU
32
Aproximaciones a la LRU
n 
4. Aproximación a LRU
q  Tanto el reemplazo óptimo como el LRU no padecen
la anomalía de Belady
q  Las técnicas basadas en LRU utilizan un bit de
referencia puesto por el hardware
q  El hardware enciende el bit de referencia de una
página cada vez que se hace referencia a ella (lectura
o escritura)
q  Examinando este bit no conoceremos el orden de uso,
pero sí sabemos cuáles páginas se usaron y cuales
no
33
Varios bits de referencia
n 
4.1. Algoritmo con bits de referencia adicionales
q 
q 
Es posible obtener información de ordenamiento adicional si
registramos los bits de referencia a intervalos adicionales
Por ej.: byte histórico
n 
n 
n 
q 
q 
11000100
01110111
Se usó más recientemente
LRU: página con el número más bajo
No está garantizada la unicidad de dichos números (en caso de
igualdad, se podría aplicar FIFO)
Si el número de bits históricos es cero, es decir, dejamos sólo el
bit de referencia => Algoritmo de segunda oportunidad
34
Algoritmo 2ª oportunidad o del
reloj
n 
4.2. Algoritmo de segunda oportunidad o algoritmo
del reloj
q  FIFO teniendo en cuenta el bit de referencia
q  Si el valor es cero, reemplazamos la página, pero si
es 1, le damos una segunda oportunidad, ponemos
su bit de referencia a cero y seleccionamos la
siguiente página FIFO
q  Una forma de implementar el algoritmo de segunda
oportunidad es con una cola circular
q  = FIFO si todos los bits están encendidos
35
Algoritmo 2ª oportunidad o del
reloj
36
2ª oportunidad, mejorado
n 
4.3. Algoritmo de segunda oportunidad mejorado
q  = pero considerando tanto el bit de referencia como
el bit de modificación
q  Cuatro situaciones: (0,0), (0,1), (1,0), (1,1)
q  Se reemplaza la primera página que encontremos de
la clase más baja
q  Es posible que se tenga que explorar la cola varias
veces entes de encontrar la página a reemplazar
q  Ej: Macintosh
37
Algoritmos de conteo: LFU, MFU
n 
5. Algoritmos de conteo
q 
q 
Contador del número de referencias
5.1. Algoritmo LFU: menos frecuentemente usadas (cuenta
más baja) son las reemplazadas
n 
n 
n 
q 
Problema: páginas que se usaron mucho durante la fase inicial
del proceso y luego no se vuelven a usar
Solución: Desplazar las cuentas un bit a la derecha a intervalos
regulares
Problema serio: páginas traídas recientemente, alta probabilidad
de salir (cuenta baja)
5.2. Algoritmo MFU: más frecuentemente usada (cuenta más
alta) es la reemplazada, para evitar el problema anterior
n 
Problema: se pueden mantener páginas viejas a las que no se
accede
38
Algoritmos de reemplazo:
resumen
Problemas
FIFO
El peor resultado (mayor tasa de
fallos de página)
Anomalía de Belady
Optimo
El mejor resultado (menor tasa
de fallos de página)
No implementable
Hardware y/o ED
necesarios
Lista encadenada de páginas
LRU
Demasiada información +
hardware
Contador (timestamp) en TP o
pila
Aprox. LRU con
bits referencia
El SO debe interrumpir y
desplazar los bits referencia
Bits de referencia en TP
Aprox. LRU de
2ª oportunidad
Aprox. LRU de
2ª oportunidad
mejorado
Bit de referencia en TP + lista
circular
Selecciona la página que menos
tiempo se tarda en reemplazar y
que se ha utilizado menos
recientemente
Se necesitan varias batidas en la
lista circular
Bit de referencia en TP + lista
circular
LFU
La últimas páginas introducidas
recientemente están
continuamente reemplazándose
Contador en TP
MFU
Las páginas mas “populares” se
reemplazan
Contador en TP
39
Campos en la tablas de páginas
Marco
Permisos
Memoria
Paginada
Memoria Virtual
obligatorio
obligatorio
opcional
opcional
Validez
obligatorio
Sucio
opcional
Bloqueo
opcional
FIFO
LRU
Bits de
referencia
Contador
(timestamp)
Contador
accesos
LRU con
bits
referencia
LRU 2ª
oportun.
LRU 2ª
oportun.
mejorado
obligatorio
(varios bits)
obligatorio
(1! bit)
obligatorio
(1! bit)
LFU
MFU
obligatorio
obligatorio
opcional
40
Paginación por demanda:
mejoras en el reemplazo
n 
n 
n 
Reserva de marcos libres: % de marcos
libres para no esperar a que las víctimas se
escriban en disco
Recordar qué páginas están en los marcos
libres
Descargar en disco las páginas modificadas
en segundo plano
41
Asignación de marcos a los
procesos
n 
Reserva de marcos
q 
q 
q 
Es conveniente definir un sistema de reparto de los
marcos a los procesos en ejecución
Todo proceso debería tener una reserva mínima de
marcos (depende del repertorio de instrucciones)
¿Cómo asignar los marcos a los procesos?
n 
n 
n 
Reparto alícuoto
Reparto proporcional (por tamaño, por prioridad)
Reemplazo ¿global o local?
42
Tipos de reemplazo
n 
Reemplazo local/global
q 
n 
Reemplazo global
q 
n 
Un mismo proceso podría tener un rendimiento muy
diferente a causa de circunstancias puramente externas
Reemplazo local
q 
n 
El conjunto de páginas candidatas a sustituir está/no está
restringido al proceso que provoca la carencia de página
Podría obstaculizar la ejecución de un proceso al no
permitirle aprovechar otras páginas de memoria de poco uso
El reemplazo global generalmente aumenta el
rendimiento del sistema y es el método más utilizado
43
Hiperpaginación y área activa
n 
Primeros sistemas de paginación
n 
n 
n 
n 
n 
n 
SO supervisa la utilización de la CPU
Si el aprovechamiento es demasiado bajo à aumenta el
grado de multiprogramación
Supongamos una política de reemplazo global
Al entrar un nuevo proceso à solicitudes de marcos (se
quitaran marcos a otros procesos, procesos que a su vez
necesitaran mas marcos y los quitaran a otros procesos)
Resultado: Aumenta la cola de procesos en el dispositivo de
paginación (el encargado de servir los fallos de página) y se
va vaciando la cola de preparados
Consecuencia: disminuye el aprovechamiento de la CPU y
entonces el planificador de CPU aumenta el grado de
multiprogramación, agravando aún más el problema
44
Hiperpaginación y área activa
n 
n 
Si el grado de multiprogramación es
excesivo, el sistema puede estar más tiempo
paginando que haciendo trabajo productivo
(hiperpaginación)
¿cómo evitarla?
q 
Políticas de reemplazo local
n 
q 
la hiperpaginación de un proceso puede afectar al
resto
Concediendo memoria según las necesidades
reales (localidades, área activa...)
45
Modelo de localidades
n 
n 
n 
Se observa que todo proceso trabaja en
cada momento con unas zonas de código y
datos bien delimitadas: localidad
Cuando se salta a otra subrutina, etc., se
cambia de localidad
Si un proceso tiene asignada su localidad en
memoria principal, no ocasiona fallos de
página
46
Área activa (working set)
n 
n 
Concepto que trata de aproximarse a la localidad actual
de un proceso
Es el conjunto de páginas con el que ha trabajado un
proceso en un pasado reciente Δ (ventana del área
activa) :
q 
n 
WS(t, Δ) = páginas accedidas entre t y t- Δ
Si Δ tiene el tamaño adecuado, es una fiel aproximación
de la localidad actual
47
Área activa
48
Área activa: cómo aplicarla en la
gestión de memoria virtual
n 
n 
n 
n 
El SO vigila el área activa de cada proceso y le asigna
un número de marcos igual a su tamaño
Si hay suficientes marcos adicionales, se puede iniciar
otro proceso
Si la suma de los tamaños de las áreas activas
aumenta hasta exceder el número total de marcos
disponibles, el SO seleccionará un proceso para
suspenderlo
La estrategia del área activa evita la hiperpaginación
al tiempo que mantiene el grado de multiprogramación
lo más alto posible
49
¿Cómo detectar las áreas
activas?
n 
n 
Lo difícil del modelo del área activa es cómo sabe el SO cuál es el
área activa de un proceso en cada momento
Implementación
q  El área activa se puede estimar utilizando el bit de referencia, de
forma similar a la LRU
n  A intervalos regulares, los bits de referencia de las páginas
residentes pueden ser registrados (nº de bits históricos) y
borrados
n  De esta forma tenemos una especie de historial de uso
q 
Si se descubre que un proceso no tiene páginas suficientes para
su área activa, se le suspende por completo: así se evita la
hiperpaginación
50
Frecuencia de fallos de página
(PFF)
n 
n 
n 
n 
Podemos establecer límites superiores e inferiores para
la frecuencia de fallos de página deseada
Si la PFF de un proceso es muy baja, le quitamos
páginas; si es muy alta, le damos más páginas
Si la PFF global aumenta y no hay marcos libres,
seleccionamos un proceso y lo suspendemos
Los marcos de página se repartirán entre los procesos
que tengan fallos de página muy frecuentes
51
Prepaginación
n 
Prepaginación: cuando se reanuda un proceso
que estaba en swap, traer a memoria principal
todas las páginas del área activa
q 
q 
Para cada proceso se guarda también la información relativa al
área activa
La prepaginación puede ser ventajosa en algunos casos (cuando
el costo de la prepaginación sea menor que el de atender los
fallos de página correspondientes)
52
Tamaño de página óptimo
n 
n 
La eficiencia de las operaciones de E/S
(disco) y el espacio consumido en tablas
recomiendan tamaños de página grandes
La localidad y la fragmentación recomiendan
tamaños de página pequeños
53
Influencia de la estructura del
código
n 
Estructura de los programas
La forma en que se accede a los datos
q  Las estructuras de datos que se emplean
q  Cómo se estructura el código (el compilador y el
cargador también pueden tener efecto sobre la
paginación)
q  El lenguaje de programación (la localidad es mejor en
lenguajes con uso restringido de punteros)
Influyen en el rendimiento de la memoria virtual
q 
54
Otras consideraciones
n 
Interbloqueo de E/S cuando se emplea DMA
q 
q 
E/S pendiente en una página reemplazada
Soluciones:
n 
n 
n 
Búferes en memoria del SO
Permitir fijar páginas en memoria (bit de bloqueo)
Tiempo real: la m.v. es nociva en un sistema de
t.r.
55
Otras técnicas: segmentación por
demanda
n 
Segmentación por demanda
q 
q 
La unidad de gestión es el segmento
Ej: OS/2 en el Intel 80286
56
Memoria virtual: sumario
n 
Estrategias
Paginación bajo demanda
n 
Algoritmos de reemplazo de páginas
• FIFO
• OPT
• LRU
• LRU bits adicionales
• LRU 2ª oport.
• LRU 2ª oport. mejorado
Algoritmos de asignación de marcos
• Reserva de marcos
• Reemplazo local / global
• LFU
• MFU
Mejoras
Reserva de marcos libres
Evitar Hiperpaginación
n 
•  Reemplazo local
•  Localidades/área activa
•  Frecuencia de fallos de página
Otras consideraciones
Prepaginación
Tamaño de página
Estructura de los programas
Interbloqueo de E/S con DMA
57