Lý thuyết hệ điều hành - Bộ nhớ ảo

BÀI 7: BỘ NHỚ ẢO
I. Khái niệm
Do tại một thời điểm chỉ có một lệnh được thực hiện nên tại mỗi thời điểm ta có thể chỉ cần lưu trữ
trong bộ nhớ vật lý các chỉ thị và dữ liệu cần thiết cho việc thi hành của một chương trình tại thời điểm
đó. Khi cần, những chỉ thị mới sẽ được nạp vào bộ nhớ. Với giải pháp này, một chương trình có thể lớn
hơn kích thước của vùng nhớ cấp phát cho nó và hđh có thể tăng mức độ đa chương.
1. Định nghĩa
Bộ nhớ ảo là một kỹ thuật dùng bộ nhớ phụ lưu trữ chương trình, và các phần của chương trình được
chuyển vào-ra giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ để cho phép xử lý một tiến trình mà không cần nạp
toàn bộ vào bộ nhớ vật lý. Có thể cài đặt bộ nhớ ảo qua kỹ thuật phân trang theo yêu cầu (Demand
paging) hoặc phân đoạn theo yêu cầu (Demand segmentation
)
Hình : Bộ nhớ ảo dùng kỹ thuật phân trang theo yêu cầu
2. Cài đặt bộ nhớ ảo dùng kỹ thuật phân trang theo yêu cầu ( demand paging)
Sử dụng kỹ thuật phân trang kết hợp với kỹ thuật hoán chuyển (swapping). Một tiến trình được chia
thành các trang, thường trú trên bộ nhớ phụ ( thường là đĩa) và một trang chỉ được nạp vào bộ nhớ
chính khi có yêu cầu. Vùng không gian đĩa dùng để lưu trữ tạm các trang gọi là không gian swapping.
* Mỗi phần tử trong bảng trang gồm hai trường:
- một trường chứa bit "kiểm tra" có giá trị 1 (valid) là trang đang ở trong bộ nhớ chính , 0 (invalid) là
trang đang được lưu trên bộ nhớ phụ hoặc trang không thuộc tiến trình. Khởi đầu tất cả bit kiểm tra
trong bảng trang đều bắng 0.
- một trường chứa số hiệu khung trang (nếu bit kt là valid) hoặc chứa địa chỉ của trang trên bộ nhớ
phụ (nếu bit kt là invalid)
1
Hình : Bảng trang với một số trang trên bộ nhớ phụ
* Lỗi trang
Truy xuất đến một trang được đánh dấu invalid sẽ làm phát sinh một lỗi trang (page fault).
* Chuyển đổi địa chỉ tương đối thành tuyệt đối:
Bước 1: MMU tìm trong bảng trang để lấy các thông tin cần thiết cho việc chuyển đổi địa chỉ.
Bước 2: nếu trang đang được yêu cầu truy xuất là invalid, MMU sẽ phát sinh một ngắt để báo cho hệ
điều hành. Hệ điều hành sẽ xử lý lỗi trang như sau :

Kiểm tra truy xuất đến bộ nhớ là hợp lệ hay bất hợp lệ
Nếu truy xuất bất hợp lệ (trang không thuộc tiến trình) : kết thúc tiến trình
Nếu hợp lệ : đến bước 3
Bước 3:
Tìm vị trí chứa trang muốn truy xuất trên đĩa.
Tìm một khung trang trống trong bộ nhớ chính :
Nếu tìm thấy : đến bước 4
Nếu không còn khung trang trống, chọn một khung trang "nạn nhân " (
victim
) và chuyển trang "nạn nhân " ra bộ nhớ phụ , rồi đến bước 4
Bước 4: Chuyển trang muốn truy xuất từ bộ nhớ phụ vào vào khung trang trống đã chọn.
Bước 5: Cập nhật nội dung bảng trang.
Bước 6: Tái kích hoạt tiến trình người sử dụng.
2
G H
(bộ nhớ ảo - > bộ nhớ logic)
Hình: Các giai đoạn xử lý lỗi trang
II. Thay thế trang
Nếu không có khung trang trống, thì mỗi khi xảy ra lỗi trang cần phải thực hiện hai thao tác chuyển
trang : chuyển một trang ra bộ nhớ phụ và nạp một trang khác vào bộ nhớ chính. Có thể giảm bớt số
lần chuyển trang bằng cách sử dụng thêm một bit "cập nhật" (dirty bit). Giá trị của bit được phần cứng
đặt là 1 nếu nội dung trang có bị sửa đổi. Khi cần thay thế một trang, nếu bit cập nhật có giá trị là 1
thì trang này cần được lưu lại trên đĩa, ngược lại, nếu bit cập nhật là 0, nghĩa là trang không bị thay
đổi, thì không cần lưu trữ trang trở lại đĩa.
số hiệu khung trang chứa trang
hoặc địa chỉ trang trên đĩa
bit valid-invalid bit dirty
Hình : Cấu trúc một phần tử trong bảng trang

1. Thời gian truy xuất bộ nhớ

Gọi p là xác suất xảy ra một lỗi trang (0<= p <=1):
p = 0 : không có lỗi trang nào
p = 1 : mỗi truy xuất sẽ phát sinh một lỗi trang
Thời gian để thực hiện một lần truy xuất bộ nhớ là: Effective Access Time (EAT)
TEA = (1-p)ma + p ([swap out ] + swap in)
ma (memory access) là thời gian truy xuất bộ nhớ
ví dụ:
Giả sử thời gian một lần truy xuất bộ nhớ là 1 microsecond (msec) và giả sử 40% trang được chọn đã
thay đổi nội dung và thời gian hoán chuyển trang là 10 ms. Tính ETA.
Ta có:
swap out= swap in = 10 milisecond (ms) = 10000 microsecond
=> EAT = (1 – p) x 1 + p (10000*0.4+10000) (msec)
3
bộ nhớ logic
vị trí lưu
trang trên đĩa
- > bộ nhớ
ảo
2. Các thuật toán thay thế trang
Mục tiêu của các thuật tóan là chọn trang « nạn nhân » là trang mà sau khi thay thế sẽ gây ra ít lỗi
trang nhất. Thông thường số lỗi trang tỉ lệ nghịch với số khung trang dành cho tiến trình.
Hình: số khung trang tăng thì số lỗi trang giảm.
Có thể đánh giá một thuật toán bằng cách xử lý trên một chuỗi các trang cần truy xuất với số lượng
khung trang cho trước và tính toán số lượng lỗi trang phát sinh.
Ví dụ: Giả sử tiến trình truy xuất các địa chỉ theo thứ tự : 0100, 0432, 0101, 0611
Nếu kích thước của một trang là 100 bytes, có thể viết lại chuỗi địa chỉ thành chuỗi trang: 1, 4, 1, 6
* Thuật toán FIFO: Trang ở trong bộ nhớ lâu nhất sẽ được chọn (vào trước ra trước)
Ví dụ : sử dụng 3 khung trang , ban đầu cả 3 đều trống :
7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
7 7 7 2 2 2 2 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 7 7 7

0 0 0 0 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 0 0 0 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1
* * * * * * * * * * * * * * *
Ghi chú : * : có lỗi trang
Để áp dụng thuật toán FIFO, không cần phải ghi nhận thời điểm mỗi trang được nạp vào bộ nhớ, mà
chỉ cần quản lý các trang trong bộ nhớ bằng một danh sách FIFO, khi đó trang đầu danh sách sẽ được
chọn để thay thế.
Thuật toán FIFO dễ hiểu, dễ cài đặt. Tuy nhiên nếu trang được chọn là trang thường xuyên được sử
dụng, thì khi bị chuyển ra bộ nhớ phụ sẽ nhanh chóng gây ra lỗi trang.
4
Số lượng lỗi trang có thể tăng lên khi số lượng khung trang sử dụng tăng. Hiện tượng này gọi là
nghịch lý Belady.
Ví dụ: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
Sử dụng 3 khung trang , sẽ có 9 lỗi trang phát sinh
1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5
1 1 1 4 4 4 5 5 5 5 5 5
2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3
3 3 3 2 2 2 2 2 4 4
* * * * * * * * *
Sử dụng 4 khung trang , sẽ có 10 lỗi trang phát sinh
1 2 3 4 1 2 5 1 2 3 4 5
1 1 1 1 1 1 5 5 5 5 4 4
2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 5
3 3 3 3 3 3 2 2 2 2
4 4 4 4 4 4 3 3 3
* * * * * * * * * *

* Thuật toán tối ưu: Chọn trang lâu được sử dụng nhất trong tương lai.
Ví dụ : sử dụng 3 khung trang, khởi đầu đều trống:
7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1

7 7 7 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7 7 7
0 0 0 0 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1
* * * * * * * * *
Thuật toán này bảo đảm số lượng lỗi trang phát sinh là thấp nhất , nó cũng không gánh chịu nghịch lý
Belady, tuy nhiên, đây là một thuật toán khó cài đặt, vì khó có thể biết trước chuỗi truy xuất của tiến
trình.
* Thuật toán « Lâu nhất chưa sử dụng » ( Least-recently-used: LRU)
Thuật toán FIFO sử dụng thời điểm nạp để chọn trang thay thế, thuật toán tối ưu dùng thời điểm
trang sẽ được sử dụng, vì thời điểm này khó có thể xác định trước nên thuật toán LRU phải dùng thời
điểm cuối cùng trang được truy xuất – dùng quá khứ gần để dự đoán tương lai.
5