Bài giảng Hệ điều hành (Operating Systems) - Hà Lê Hoài Trung - Chương 8: Bộ nhớ ảo

ùng memory management phải hỗ trợ paging 
và/hoặc segmentation 
 OS phải quản lý sự di chuyển của trang/đoạn giữa bộ 
nhớ chính và bộ nhớ thứ cấp 
 Trong chương này, 
– Chỉ quan tâm đến paging 
– Phần cứng hỗ trợ hiện thực bộ nhớ ảo 
– Các giải thuật của hệ điều hành 
Khoa KTMT 6 
2.1.Phân trang theo yêu cầu 
 demand paging 
„ Demand paging: các trang của quá trình chỉ được nạp 
vào bộ nhớ chính khi được yêu cầu. 
 Khi có một tham chiếu đến một trang mà không có 
trong bộ nhớ chính (valid bit) thì phần cứng sẽ gây ra 
một ngắt (gọi là page-fault trap) kích khởi page-fault 
service routine (PFSR) của hệ điều hành. 
 PFSR: 
1. Chuyển process về trạng thái blocked 
2. Phát ra một yêu cầu đọc đĩa để nạp trang được tham chiếu vào 
một frame trống; trong khi đợi I/O, một process khác được cấp 
CPU để thực thi 
3. Sau khi I/O hoàn tất, đĩa gây ra một ngắt đến hệ điều hành; 
PFSR cập nhật page table và chuyển process về trạng thái 
ready. 
Khoa KTMT 7 
2.2. Lỗi trang và các bước xử lý 
Khoa KTMT 8 
2.3. Thay thế trang nhớ 
 Bước 2 của PFSR giả sử phải thay trang vì không tìm 
được frame trống, PFSR được bổ sung như sau 
1. Xác định vị trí trên đĩa của trang đang cần 
2. Tìm một frame trống: 
a. Nếu có frame trống thì dùng nó 
b. Nếu không có frame trống thì dùng một giải thuật thay trang 
để chọn một trang hy sinh (victim page) 
c. Ghi victim page lên đĩa; cập nhật page table và frame table 
tương ứng 
3. Đọc trang đang cần vào frame trống (đã có được từ bước 2); 
cập nhật page table và frame table tương ứng. 
Khoa KTMT 9 
2.3. Thay thế trang nhớ (tt) 
Khoa KTMT 10 
2.4. Các thuật toán thay thế trang 
„ Hai vấn đề chủ yếu: 
 Frame-allocation algorithm 
– Cấp phát cho process bao 
nhiêu frame của bộ nhớ thực? 
 Page-replacement algorithm 
– Chọn frame của process sẽ 
được thay thế trang nhớ 
– Mục tiêu: số lượng page-fault 
nhỏ nhất 
– Được đánh giá bằng cách thực 
thi giải thuật đối với một chuỗi 
tham chiếu bộ nhớ (memory 
reference string) và xác định 
số lần xảy ra page fault 
 Ví dụ 
„ Thứ tự tham chiếu các địa chỉ 
nhớ, với page size = 100: 
„ 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 
0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 
0103, 0104, 0101, 0610, 0102, 
0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 
0105 
các trang nhớ sau được tham 
chiếu lần lượt = chuỗi tham 
chiếu bộ nhớ (trang nhớ) 
„ 1, 4, 1, 6, 1, 
„ 1, 1, 1, 6, 1, 
„ 1, 1, 1, 6, 1, 
„ 1, 1, 1, 6, 1, 
„ 1 
Khoa KTMT 11 
a) Giải thuật thay trang FIFO 
 Các dữ liệu cần biết ban đầu: 
– Số khung trang 
– Tình trạng ban đầu 
– Chuỗi tham chiếu 
– Trang nhớ cũ nhất sẽ được thay thế 
Khoa KTMT 12 
Nghịch lý Belady 
Khoa KTMT 13 
Nghịch lý Belady 
Bất thường (anomaly) Belady: số page fault tăng mặc dầu quá trình 
đã được cấp nhiều frame hơn. 
Khoa KTMT 14 
2.4 b)Giải thuật thay trang OPT(optimal) 
 Giải thuật thay trang OPT 
– Thay thế trang nhớ sẽ được tham chiếu trễ nhất trong tương lai 
– Khĩ hiện thực? 
 Ví dụ: một process có 7 trang, và được cấp 3 frame 
Khoa KTMT 15 
c) Giải thuật lâu nhất chưa sử dụng 
 Least Recently Used (LRU) 
 Ví dụ: 
 Mỗi trang được ghi nhận (trong bảng phân trang) thời điểm được 
tham chiếu trang LRU là trang nhớ có thời điểm tham chiếu nhỏ 
nhất (OS tốn chi phí tìm kiếm trang nhớ LRU này mỗi khi có page fault) 
 Do vậy, LRU cần sự hỗ trợ của phần cứng và chi phí cho việc tìm 
kiếm. Ít CPU cung cấp đủ sự hỗ trợ phần cứng cho giải thuật LRU. 
Khoa KTMT 16 
LRU và FIFO 
 So sánh các giải thuật thay trang LRU và FIFO 
chuỗi tham chiếu 
trang nhớ 
Khoa KTMT 17 
Giải thuật cơ hội thứ hai 
 Sử dụng các bit tham khảo tại những khoản thời gian đều đặn 
 Dùng một byte cho mỗi trang trong một bảng nằm trong bộ nhớ 
 Dùng một thanh ghi dịch chứa lịch sử tham khảo trong 8 lần gần nhất 
 VD: 00110101, 00000000, 11111111 
 Là giải thuật thay thế FIFO, trước khi thay thế một trang xem xét bit tham 
khảo của nĩ 
 Đơi khi sử dụng hai bit: tham khảo và sửa đổi như một cặp (x,x): 
– (0,0) khơng được dùng mới đây và khơng được sửa đổi-là trang tốt nhất để 
thay thế. 
– (0,1) khơng được dùng mới đây nhưng được sửa đổi-khơng thật tốt vì 
trang cần được viết ra trước khi thay thế. 
– (1,0) được dùng mới đây nhưng khơng được sửa đổi-nĩ cĩ thể sẽ nhanh chĩng được 
dùng lại. 
– (1,1) được dùng mới đây và được sửa đổi-trang cĩ thể sẽ nhanh chĩng được dùng lại 
và trang sẽ cần được viết ra đĩa trước khi nĩ cĩ thể được thay thế. 
Khoa KTMT 18 
Giải thuật cơ hội thứ hai (tt) 
Khoa KTMT 19 
2.5.Số lượng frame cấp cho process 
 OS phải quyết định cấp cho mỗi process bao nhiêu 
frame. 
– Cấp ít frame nhiều page fault 
– Cấp nhiều frame giảm mức độ multiprogramming 
 Chiến lược cấp phát tĩnh (fixed-allocation) 
– Số frame cấp cho mỗi process không đổi, được xác định vào thời 
điểm loading và có thể tùy thuộc vào từng ứng dụng (kích thước 
của nó,…) 
 Chiến lược cấp phát động (variable-allocation) 
– Số frame cấp cho mỗi process có thể thay đổi trong khi nó chạy 
 Nếu tỷ lệ page-fault cao cấp thêm frame 
 Nếu tỷ lệ page-fault thấp giảm bớt frame 
– OS phải mất chi phí để ước định các process 
Khoa KTMT 20 
a) Chiến lược cấp phát tĩnh 
 Cấp phát bằng nhau: Ví dụ, có 100 frame và 5 
process mỗi process được 20 frame 
 Cấp phát theo tỉ lệ: dựa vào kích thước process 
 Cấp phát theo độ ưu tiên 
m
S
s
pa
m
sS
ps
i
ii
i
ii
for allocation 
frames ofnumber total
 process of size 
5964
137
127
564
137
10
127
10
64
2
1
2
a
a
s
s
m
i
Ví dụ: 
Khoa KTMT 21 
3. Trì trên toàn bộ hệ thống 
Thrashing 
 Nếu một process không có đủ số frame cần thiết thì tỉ số 
page faults/sec rất cao. 
 Thrashing: hiện tượng các trang nhớ của một process bị 
hoán chuyển vào/ra liên tục. 
Khoa KTMT 22 
a)Mô hình cục bộ (Locality) 
 Để hạn chế thrashing, hệ điều hành phải cung cấp cho 
process càng “đủ” frame càng tốt. Bao nhiêu frame thì 
đủ cho một process thực thi hiệu quả? 
 Nguyên lý locality (locality principle) 
– Locality là tập các trang được tham chiếu gần nhau 
– Một process gồm nhiều locality, và trong quá trình thực thi, 
process sẽ chuyển từ locality này sang locality khác 
 Vì sao hiện tượng thrashing xuất hiện? 
Khi size of locality > memory size 
Khoa KTMT 23 
b) Giải pháp tập làm việc (working set) 
„ Được thiết kế dựa trên nguyên lý locality. 
 Xác định xem process thực sự sử dụng bao nhiêu 
frame. 
 Định nghĩa: 
– WS(t) - số lượng các tham chiếu trang nhớ của process gần 
đây nhất cần được quan sát trong khoảng thời gian . 
–  - khoảng thời gian tham chiếu 
„ Ví dụ: 
2 4 5 6 9 1 3 2 6 3 9 2 1 4 
thời điểm t
1 
 = 4 
chuỗi tham khảo 
trang nhớ 
Khoa KTMT 24 
b) Giải pháp tập làm việc (working set) 
 Định nghĩa: working set của process P
i
 , ký hiệu WS
i
 , là tập gồm 
các trang được sử dụng gần đây nhất. 
 Nhận xét: 
„ quá nhỏ không đủ bao phủ toàn bộ locality. 
„ quá lớn bao phủ nhiều locality khác nhau. 
„ = bao gồm tất cả các trang được sử dụng. 
 Dùng working set của một process để xấp xỉ locality của nó. 
chuỗi tham khảo trang 
Ví dụ: = 10 và 
Khoa KTMT 25 
b) Giải pháp tập làm việc (working set) 
Định nghĩa WSS
i
 là kích thước của working set của P
i
 : 
 WSS
i
 = số lượng các trang trong WS
i 
chuỗi tham khảo trang 
WSS(t1) = 5 WSS(t2) = 2 
Ví dụ (tiếp): = 10 và 
Khoa KTMT 26 
b) Giải pháp tập làm việc (working set) 
„ Đặt D = WSS
i
 = tổng các working-set size của mọi 
process trong hệ thống. 
 Nhận xét: Nếu D > m (số frame của hệ thống) sẽ xảy ra 
thrashing. 
 Giải pháp working set: 
– Khi khởi tạo một quá trình: cung cấp cho quá trình số lượng 
frame thỏa mản working-set size của nó. 
– Nếu D > m tạm dừng một trong các process. 
 Các trang của quá trình được chuyển ra đĩa cứng và các 
frame của nó được thu hồi. 
Khoa KTMT 27 
b) Giải pháp tập làm việc (working set) 
 WS loại trừ được tình trạng trì trệ mà vẫn đảm bảo mức 
độ đa chương 
 Theo vết các WS? => WS xấp xỉ (đọc thêm trong sách) 
Đọc thêm: 
 Hệ thống tập tin 
 Hệ thống nhập xuất 
 Hệ thống phân tán 
Khoa KTMT 28 
Bài tập 
 Bài 01: Một máy tính 32-bit địa chỉ, sử dụng một bảng trang nhị cấp. 
Địa chỉ ảo được phân bổ như sau : 9 bit dành cho bảng trang cấp 1, 11 
bit cho bảng trang cấp 2, và cho offset. Cho biết kích thước một trang 
trong hệ thống, và địa chỉ ảo cĩ bao nhiêu trang ? 
 Bài 02: Xét chuỗi truy xuất bộ nhớ sau: 
 1, 2 , 3 , 4 , 3 , 5 , 1 , 6 , 2 , 1 , 2 , 3 , 7 , 5 , 3 , 2 , 1 , 2 , 3 , 6 
Cĩ bao nhiêu lỗi trang xảy ra khi sử dụng các thuật tốn thay thế sau 
đây, giả sử cĩ 4 khung trang và ban đầu các khung trang đều trống ? 
a) LRU 
b) FIFO 
c) Optimal 
d) Cơ hội thứ 2 
Bài tập 
Cho một process cĩ số frame truy cập như 
sau: 
 1,2,4,3,5,2,3,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,2,3,7,6,4,
5,6,7,9,8,1,2,5 
Cho biết cĩ biêu nhiêu tập làm việc 
(working set)? 
Liệt kê các frame trong từng working set? 
Biết = 7. 
Khoa KTMT 29 
Bài tập 
Hệ thống tại một thời điểm cĩ 5 process: 
process 1 cần 5 frame, process 2 cần 15 
frame, process 3 cần 10 frame, process 4 
cần 9 frame, process 5 cần 11 frame. Hệ 
thống hiện cĩ 30 frame. Tính xem mỗi 
process được cấp bao nhiêu frame? 
Phân bổ đều? 
Theo tỷ lệ? 
Khoa KTMT 30