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UNENDLICH
GROß
SCHNELL
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3
Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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4
Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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2. Swapping
Swapping: Ein- bzw. Auslagern von nicht aktiven Prozessen
● es wird nur wirklich vorhandener physikalischer Hauptspeicher benutzt
C C C C C
B B B BA
A A AD D D
Betriebs-system
Betriebs-system
Betriebs-system
Betriebs-system
Betriebs-system
Betriebs-system
Betriebs-system
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6
2. Swapping
Für die Verwaltung von Speicher gibt es zwei Möglichkeiten:- Speicherverwaltung mit Bitmaps- Speicherverwaltung mit verketteten Listen (Freibereichslisten)
Positionierungsstrategien:
1. First Fit: Wähle den ersten freien Bereich, der groß genug für das Programm ist.
2. Next Fit: Wähle den nächsten freien Bereich, der groß genug für das Programm ist. Starte an der Stelle, an der das letzte Programm eingefügt wurde.
3. Best Fit: Wähle den kleinstmöglichen freien Bereich, der groß genug für das Programm ist.
4. Worst Fit: Auswahl des jeweils größten Loches5. Quick Fit: Getrennte Listen für Löcher
in einigen gebräuchlicheren Größen
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7
2. SwappingNachteile von Swapping:
- Der Platz für Programm und Daten ist durch die Hauptspeicherkapazität beschränkt.
- Problematisch bei den Prozessen, die viele E/A-Operationen ausführen
- Der Zugriff auf den Speicherbereich eines fremden Prozesses muss durch das Betriebssystem explizit verhindert werden
- Die zusammenhängende Belegung von Hauptspeicher für ein ganzes Programmverschärft das Fragmentierungsproblem.
- Der komplette Adressraum eines Prozesses wird beim Prozesswechsel auf den Hauptspeicher ausgelagert und ein anderer Adressraum eingelagert
- Extrem aufwendiger Prozesswechsel
► Diese Nachteile werden durch das Konzept des virtuellen Speicher behoben.
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8
Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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3.1 Segmentorientierter Speicher
Segment:● unterschiedlich große Einheiten ● von einander unabhängige Adressräume
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3.1 Segmentorientierter Speicher
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3.1 Segmentorientierter SpeicherVorteile:
- Die Segmente entsprechen unmittelbar den logischen Speichereinheiten eines Prozesses
- Die Segmente können individuelldurch verschiedene Zugriffsrechte geschützt werden
- Die Segmente können einzelnauf den Plattenspeicher verdrängt werden
- Durch eigene Segmenttabellesind die Prozesse wirksam voneinander abgeschottet
- leichte Zusammenarbeit von Prozessen möglich
- einfache Verwaltung von Datenstrukturen, die ihre Größe ändern
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3.1 Segmentorientierter Speicher
Nachteile:
- zusammenhängender Speicherbereich
- Verschnittprobleme, da die Segmente unterschiedlich groß sind
- Vollständiger Segment muss bei einem Zugriff im Hauptspeicher stehen
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Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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3.2 Seitenorientierter Speicher
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15
3.2 Seitenorientierter Speicher
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3.2 Seitenorientierter Speicher
Zur Speicherung der Seitentabelle gibt es mehrere Möglichkeiten:
- Einfach vollständig im Hauptspeicher
-Translation Lookaside Buffer (TLAB oder TLB)
- Mehrstufige Seitentabellen
- Invertierten Seitentabelle
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3.2 Seitenorientierter Speicher
Vorteile:
- einfache Speicherverwaltung
- kein Verschnittproblem
- leichterer Zugriff auf den Plattenspeicher
- es werden nur die benötigten Daten in den Hauptspeicher geladen
- Prozesse sind von einander abgeschottet (durch eigene Seitentabellen)
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3.2 Seitenorientierter Speicher
Nachteile:
- virtueller Speicher spiegelt nicht den logischen Aufbauder Prozesse wieder
- im Vergleich zu Segmenten etwas schwerere Identifikation, der Schutz und das Sharing individueller logischer Einheiten
- hoher Speicherbedarf für Seitentabellen
- zeitaufwendige Adressberechnung
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Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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3.4 Pagingstrategien
• Ladestrategie: Sie legt fest, zu welchem Zeitpunkt welche Seiten in den Hauptspeicher geladen wird
Demand Paging: lädt eine Seite nur dann, wenn sie unmittelbar benötigt wird
Prepaging: lädt Seiten vorzeitig
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3.4 Pagingstrategien• Speicherzuteilungsstrategie:
entscheidet darüber, wie viele Seitenbereiche des Hauptspeichers den einzelnen Prozessen zugeteilt werden.
Working-Set-Strategie:
versucht, für einen Prozess genau die Seiten im Hauptspeicher zu halten,auf denen er gerade arbeitet.
Page-Fault-Frequency-Strategie:
► vergrößert den Bereich, wenn die Seitenfehlerrate des Prozesses einen oberen Schwellenwert übersteigt
► verkleinert ihn, wenn die Fehlerrateeinen unteren Schwellwert unterschreitet
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3.4 Pagingstrategien
♦ lokal: Prozess ersetzt nur immer seine eigene Seiten - statische Zuteilung von Seiten pro Prozess- Seitenfehler-Verhalten liegt in der Verantwortung des Prozesses
♦ global: Prozess ersetzt auch Seiten anderer Prozesse- dynamische Verhalten der Prozesse berücksichtbar- bessere Effizienz
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23
Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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4.1 Unix
• Früher: Swapping -> Heute: Demand Paging
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25
4.1 Unix
• Paging wird von Page Daemon realisiert
- wird periodisch gestartet- Überprüfung, ob die Anzahl an freien Seiten zu klein geworden ist
► Falls ja-> Auslagerung von Seiten auf die Festplatte
gemäß der eingesetzten Verdrängungsstrategie
► Falls nein -> Blockierung des Paging-Daemons bis zum nächsten Sollzeitpunkt
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4.1 Unix
• globaler Zwei-Zeiger-Uhr-Algorithmus als Seitenersetzungsalgorithmus
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4.1 Unix
• Um Thrashing zu vermeiden wird Swapping eingesetzt:
- Gibt es ein Prozess, der länger als 20 Sekunden untätig ist?
► Falls ja -> wird derjenige ausgelagert, der am längsten untätig war
► Falls nein -> die vier größten Prozesse werden untersucht und
derjenige ausgelagert, der sich am längsten im Speicher befindet
- Soll ein bereiter Prozess wieder zurück eingebracht werden? -> es wird nach Werten entschieden,
die von verschiedenen Größen abhängen
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4.1 Unix
• Besonderheiten bei System V
- einfacher Uhralgorithmus
- statt losfree: min unb max
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29
Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
![Page 30: Konzepte von Betriebssystem- Komponenten Olessia Usik ......- Der Platz für Programm und Daten ist durch die Hauptspeicherkapazität beschränkt.-Problematisch bei den Prozessen,](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022071500/611f9fa027ff846f5c6f7bfd/html5/thumbnails/30.jpg)
30
4.2 Windows 2000
• Ein einziger, linearer 4-GB-Adressraum je Prozess
• Segmentierung wird nicht unterstützt -> Seitenadressierung
• Bei Zuordnung eines Bereiches des virtuellen Adressraums wird dieDatenstruktur VAD (Virtual Address Descriptor) angelegt.
► In VAD wird folgendes festgehalten:
- Der Bereich der abgebildeten Adressen - Die zuständige Auslagerungsdatei auf dem Hintergrundspeicher - Der Offset- Der Schutzcode
► Erste Berührung der Seiten führt zur Erzeugung des Seitentabellenverzeichnis-> Eintrag des Zeigers in VAD
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4.2 Windows 2000
• Kein Prepaging vorhanden
► Beim Prozessstart sind keine Seiten im Speicher ► Dynamische Einlagerung bei Seitenfehler
20 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1
SeitenkachelNicht
benutzt
G L D A C Wt U W V
G: Seite global für alle Prozesse Wt: Write through (kein Caching)L: Große (4GB) Seite (large) U: Seite sichtbar im Benutzermod.D: Seiteninhalt ungültig (dirty) W: Seite ist beschreibbar (write)C: Caching ein-/ausgeschaltet V: Gültiger Eintrag (valid)A: Auf Seite wurde zugegriffen (accessed)
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4.2 Windows 2000
• Arten von Seitenfehlern:
Die referenzierte Seite ist nicht belegt
Eine Schutzverletzung ist aufgetreten
Auf eine geteilt genutzte Seite wurde geschrieben
Der Stack muss wachsen
Die referenzierte Seite ist belegt, aber nicht eingelagert.
• Bei Seitenfehler werden benachbarte Seiten auch eingelagert
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4.2 Windows 2000
• Ziel bei Seitenersetzungsalgorithmus: Gewisser Prozentsatz aller Seiten soll freigehalten werden
► Keine Auslagerung bei Seitenfehlern erforderlich
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4.2 Windows 2000
• Working-Set Verfahren
- besteht aus eingelagerten Seiten eines Prozesses
- wird durch zwei Parameter beschrieben: -> die minimale und die maximale Größe
- Zu Beginn ist das Minimum des Working-Sets auf einen Wert zwischen 20 und 50 und das Maximum zwischen 45 und 345 gesetzt
- Jeder Prozess startet mit demselben Minimum und Maximum
- Entscheidung bei Seitenfehler► Größe des WS < MIN -> Seite wird hinzugefügt► Größe des WS > MAX -> Seite wird aus WS entfernt
(aber nicht aus dem Speicher)
- lokaler Algorithmus
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4.2 Windows 2000
• Balance-Set-Manager:
Sind genügend freie Seiten vorhanden?
NEIN: Start des Working-Set-Managers zur Seitenfreigabe
- Prüfreihenfolge anhand von Leerlaufzeiten und Größe der Prozess wird festgelegt
- Prozesse mit Working-Set kleiner als Minimum oder mit einer großen Anzahl von Seitenfehlern werden ignoriert
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Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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37
5. Zusammenfassung
Swapping:
- Betriebssystem kann mehr Prozesse ausführen kann, als im Speicher Platz haben
- Die Prozesse, für die kein Platz ist, werden auf die Festplatte ausgelagert.
- Verwaltung von freien Speicher mit Hilfe einer Bitmap oder einer Freibereichsliste
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5. Zusammenfassung
Virtueller Speicher:
-> Paging
- einfachste Form: Adressraum wird in Seiten zerlegt- verschiedene Seitenersetzungsalgorithmen
• Aging• WSClock.
-> Segmentierung
- Vorteile bei Datenstrukturen, die ihre Große ändern- Linken wird vereinfacht- gemeinsame Benutzung von Code und Daten- Möglichkeit die Segmente durch verschiedene Zugriffsrechte zu schützen
-> Hybride Formen
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Gliederung
1. Einleitung2. Swapping3. Virtuelle Speicherverwaltung
3.1 Segmentorientierter Speicher3.2 Seitenorientierter Speicher
3.5 Behandlung von Seitenfehlern
3.3 Paging vs. Segmentierung3.4 Pagingstrategien
4. Virtuelle Speicherverwaltung bei verschiedenen Betriebssystemen
4.1Unix4.2Windows 2000
5. Zusammenfassung
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40
Quellen
[1] Andrew S. Tanenbaum: „Moderne Betriebssysteme“2. Auflage, Pearson Studium, 2002
[2] Rüdiger Brause: „Betriebssysteme. Grundlagen und Konzepte“3. Auflage, Springer Verlag, 2004
[3] Carsten Vogt: „Betriebssysteme“1.Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 2001
[4] www.ibr.cs.tu-bs.de/lehre/ss04/ bsn/BSN-SoSe04-Kap03-Speicherverwaltung-3S.pdfaufgerufen am 16.04.2005
[5] http://wwwcs.uni-paderborn.de/cs/ag-kao/de/teaching/ss05/bs1/script/BS_SS05_kap3_2seiten.pdf
aufgerufen am 02.06.2005
![Page 41: Konzepte von Betriebssystem- Komponenten Olessia Usik ......- Der Platz für Programm und Daten ist durch die Hauptspeicherkapazität beschränkt.-Problematisch bei den Prozessen,](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022071500/611f9fa027ff846f5c6f7bfd/html5/thumbnails/41.jpg)
41
![Page 42: Konzepte von Betriebssystem- Komponenten Olessia Usik ......- Der Platz für Programm und Daten ist durch die Hauptspeicherkapazität beschränkt.-Problematisch bei den Prozessen,](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022071500/611f9fa027ff846f5c6f7bfd/html5/thumbnails/42.jpg)
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