GEF 435 Principes des systèmes d’exploitation

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1 GEF 435 Principes des systèmes d’exploitation
Algorithmes de remplacement de pages pt II (Tanenbaum 4.4)

2 Revue Quel algorithmes de remplacement de pages avons nous vus jusqu’à maintenant? Optimal NRU PAPS Seconde chance Horloge MRU (avec aide du matériel) Optimal means to evict the page that will not be needed for the most instructions Not Recently Used is a crude algorithm that uses the used/dirty bits to sort pages into four classes to decide which page to evict. FIFO is a list of all pages where the first page loaded is the first page evicted Second chance is a modification of FIFO where if a page has its used bit set it isn’t evicted but is moved to the end of the FIFO list as if it just entered memory Clock is an alternate implementation of second chance with a pointer/hand that points to an entry in a circular list of page frames. On a page fault it circles the list clearing the used bit if set and evicting the first entry with a clear used bit. LRU is an approximation to the optimal algorithm that is based on the observation that a page that has been used heavily in the recent past is likely to be used heavily in the near future. Theoretically all pages entries must be kept in a linked list with the most recently used pages at the front of the list. Every time a page is used it is moved to the front of the list. In practice it is possible to associate a 64bit counter with each page to indicate the last instruction in which it was used. An array of nxn is also possible where n is the number of page frames.

3 Synopsis Algorithme de la page le moins récemment utilisée en logiciel (vieillissement) Ensemble de travail Algorithme Horloge ET

4 Problèmes avec MRU On se souvient: MRU
Les deux dernières solutions ont besoin de matériel Registres et un genre de compteur pour les instructions, ou Une matrice en matériel de grandeur n x n La deuxième solution est particulièrement coûteuse quand le nombre de cadres augmente. En pratique, ces deux solutions ne sont pas grandement utilisées Est-ce que MRU peut être implémenté en logiciel?

5 Émulation logiciel de MRU
Chaque page a un compteur logiciel À chaque interruption de l’horloge, si une page a été utilisé, on ajoute 1 à son compteur Est-ce qu’il y a des problèmes avec cette solution? Au lieu d’ajouter un nombre on fait un décalage logique à droite en entrant la valeur 0 ou 1, à gauche Ceci vieilli la page de façon similaire à notre estimation du ‘processus le plus court en prochain’ dans un système interactif The problem is that the algorithm doesn’t forget anything. As you continue to add 1 to the number a page will approach a value of 0xFFFFFF. Useful pages will be removed instead of pages no longer in use

6 Émulation logiciel de MRU
This shows the sequence for a series of clock ticks. The top array shows which pages were “used” since the last clock tick. At any moment the page with the smallest value is the candidate for replacement. Ask them if this differs from LRU in any way. It does – Two pages that were used in the same clock tick have the same weighting for that tick even though, in actuality, one was used more recently than the other. In this case, all the algorithm can do is to give more weighting to the page that was referenced before the other in ticks prior to the one in question. ie: in the last tick, pages 3 & 5 are tied for being least recently used but we would select to replace page 3 Secondly, aging gives each page a finite number of bits. If selecting to replace a page and a number are at value zero, there is no way at all to tell which was least recently used. In this case a page must be chosen at random.

7 Émulation logiciel de MRU
Est-ce qu’il y a des différences entre notre émulation du MRU et l’idéal? Parce que nous enregistrons l’utilisation par “tic” nous ne pouvons pas discriminer entre deux pages qui ont la même valeur pour le bit le plus significatif. Dans ce cas on choisi la page avec la plus petite valeur du compteur Avec un nombre fini de bits pour les compteurs, plusieurs pages vont aller à zéro relativement vite. À ce point, on ne peut pas dire quelle page dans le groupe de pages qui ont des compteurs à zéro est la page MRU, on doit donc prendre une des pages dans le groupe aléatoirement Note that in practice, the problem with page values going to zero is not a problem since if a tick is every 20ms, that means, for our example, that the page has not been referenced/used for 160ms. It’s probably not very important in that case.

8 L’ensemble de travail Jusqu’à maintenant nous avons discuté de la pagination dans sa forme ‘pure’ Aussitôt que le CPU essaie d’extraire la première instruction d’un processus un défaut de page se produit. Des autres défauts de page pour le tas et la pile suivent assez rapidement Éventuellement, le processus a le nombre de pages dont il a besoin et il se stabilise. Cette stratégie s’appel chargement sur demande (demand paging) Si des processus entiers sont permutés entre le disque et la mémoire principale chaque fois qu’un processus se voit donné le CPU il va faire de l’écroulement ‘thrashing’ de façon spectaculaire pour les premières millisecondes Called “demand paging” since pages are only loaded when requested, never in advance. Thrashing is what happens when a process experiences a page fault every few instructions and wastes considerable time as a trap must be made to the operating system on every page fault.

9 L’ensemble de travail (working set)
Pour minimiser l’écroulement, beaucoup de systèmes de pagination vont tracer l’ensemble des pages qu’un processus se sert couramment. Cet ensemble de pages s’appel l’ensemble de travail et l’approche s’appel le model de l’ensemble de travail Le chargement des pages qu’un processus va probablement avoir besoin avant de laisser le processus s’exécuter s’appel pré-pagination Cette approche réduit l’écroulement parce que, à un instant donné, les processus tendent à référencer un petit groupe d’adresses de mémoire

10 L’ensemble de travail Avec l’examen des référence de mémoire récentes, la grandeur de l’ensemble de travail augmente À un instant t, avec k références de mémoire récentes l’ensemble de travail est w(k,t) It’s given as w(k,t) since it is for a moment of time, t, in the execution of a program (ie: not necessarily starting with k recent memory references from the start of the program...that would be none, right?) What can we note about this graph? The quick initial rise is due to the fact that most programs access a small number of pages in their “loops” but that that set of pages changes over time, resulting in the long gradual rise toward the end of the graph for very large k w(k,t) will grow to a size that is no larger than the number of pages for the address space of the program.

11 L’ensemble de travail La fn w(k,t) est monotone croissante
Quand k est augmenté avec plus de références, la grandeur de l’ensemble de travail doit rester constante ou augmenter w(k,t) croit rapidement initialement lorsque les pages initiales sont demandés et parce que les programmes exécutent en boucles, w(k,t) croit lentement quand le programme change de boucle Ce comportement rend possible le traçage du contenue de l’ensemble de travail pendant l’exécution et permet d’estimer les pages qui sont requises quand un processus est remis en exécution (ces pages sont pré-chargées)

12 L’ensemble de travail Comment détermine-t-on l’ensemble de travail?
Dans sa forme pure, chaque référence serait entreposée dans une liste chaînée avec les duplications supprimées. La grandeur de la liste serait k Ceci est dispendieux en temps (pour disons, k=10,000) Une approximation peut être faite en définissant l’ensemble de travail comme étant l’ensemble de pages utilisées dans les dernières T secondes de temps de CPU Parce que k augmente typiquement avec une augmentation de T ceci est une définition raisonnable Chaque processus a besoin de sa propre ‘horloge virtuelle’

13 L’ensemble de travail ‘L’horloge virtuelle’
Chaque processus a une horloge qui mesure combien de temps d’exécution il c’est vu allouer ie: si un processus commence au temps 0, et qu’il a eu deux morceaux de temps de 25ms chaque dans les dernières 300ms alors son horloge virtuelle indique 50 L’ensemble de travail est maintenant composé des pages qu’un processus a référencé dans les dernières  secondes virtuelles On peut maintenant voir un algorithme de remplacement de page apparaître: quand on veut évincer une page, on choisi une page qui n’est pas dans l’ensemble de travail Comment implémente-t-on ceci en pratique?

14 Algo de remplacement de pages avec ensemble de travail (ARP ET)
Pour implémenter l’ARP ET: Chaque processus a besoin d’une horloge virtuelle Chaque page en mémoire requiert les bits d’utilisation et de modification – ces bits opèrent de la même façon qu’avant De plus, chaque page a besoin d’une entrée pour sauvegarder le temps virtuel approximatif écoulé depuis la dernière référence à la page Sur les tics d’horloge toutes les pages avec la bit d’utilisation à 1 ont leurs horloges de référence ajustées au temps virtuel courrant (c’est pourquoi le temps virtuel listé pour chaque page est approximatif ) When I say that the used and dirty bits work as previously described, ask them what I mean by that. It means that the used bit is set when a page is referenced and the dirty bit is set when a page is written to. The used bit is cleared each clock tick.

15 Pour implémenter le ARP ET:
Sur un défaut de page, on inspecte les entrées dans la table de pages: Si une page est utilisée, la bit d’utilisation est remise à 0 et le temps de dernière utilisation est ajusté au temps virtuel courrant Si la page n’a pas été utilisé, le temps de dernière utilisation est inspecté. Si le temps virtuel courrant moins le temps de dernière utilisation du cadre est plus grand que  secondes la page est enlevée Si aucun candidat n’est trouvé alors: On évince une page avec le temps de dernière utilisation le plus vieux qui n’a pas été référencé dans le dernier tic d’horloge Si toutes les pages ont étés utilisées dans le dernier tic d’horloge, on en évince une aléatoirement During the updating on a page fault, will the remaining entries after a suitable page frame is found continue to be inspected? The book says so, but it would depend on the implementation – it’s not required for the algorithm to work (it might be a little more accurate) Since time of last use is not updated on every page reference, if every page has R=1 there is no way to tell which one was last used.

16 ARP ET “Remember smallest time” is so that if we go through all the pages without finding one to evict then we can easily find the oldest page that wasn’t used.

17 Est-ce qu’il y a des problèmes avec cette façon de faire?
ARP ET Est-ce qu’il y a des problèmes avec cette façon de faire? La table de pages entière doit être examinée à chaque défaut de page jusqu’à ce que l’on trouve une candidate! A-t-on vue un problème similaire dans le passé récent? PAPS/ARP de la seconde chance maintienne une liste de pages dans l’ordre PAPS. Nous avons utilisé l’algorithme de l’horloge pour implémenter une solution plus rapide.

18 L’ARP Horloge d’Ensemble de travail
Similaire à l’ARP de l’horloge, on garde une liste circulaire de touts les cadres de pages avec un pointeur à un de ces cadres Sur un défaut de page: Examine la page à laquelle on pointe. Si elle est utilisée on met le bit à zéro, on met à jour le compteur et on avance à la prochaine entrée Quand une entrée avec le bit d’utilisation 0 est trouvée on soustrait son temps de dernière utilisation du temps virtuel courrant. Si ce temps est plus grand que , et que la page est non modifiée, la page est écrite pardessus

19 L’ARP horloge ET Sur un défaut de page:
Si une page est sale, une écriture au disque est commencée et l’algorithme continue de chercher pour une page immédiatement disponible Pourquoi? Si toutes les pages sont en ligne pour être écrites sur le disque, la main de l’horloge continue d’avancer pour trouver une page qui a été ‘nettoyée’ Si la main fait le tour complet des cadres, sans aucune écriture à être faite, cela indique que toutes les pages sont dans l’ensemble de travail On réclame tout simplement la première page propre qui est disponible Why is this done? It avoids a context switch to another process if we can find a page to grab right now They might ask why the first page to become clean wouldn’t be the first page scheduled for a write. The disk controller might re-order the writes to optimize disk performance

20 Note that in the book, the entry pointed to by the hand in (a) is not updated to 2204 in (b). What would this indicate? It would mean that each virtual time is updated on every page reference. It could be done that way as well, and would be more accurate, but might not be as quick How is this really different than the WS PRA? It’s just a different method of moving through the list where you don’t always start at the same point and don’t go through every entry each time. Moreover, when you have to choose a page to evict “at random” you simply take the page to which the hand is pointing.

21 Quiz Time! Questions?