Sistemi operativi - Appunti

8.5.3. TABELLA DELLE PAGINE INVERTITA

Una tabella delle pagine invertita ha un elemento per ogni pagine reale (o frame). Ciascun

elemento è quindi costituito dell’indirizzo virtuale della pagine memorizzata in quella reale

locazione di memoria, con informazioni sul processo che possiede tale pagina. Quindi, nel sistema

esiste una sola tabella delle pagine che ha un solo elemento per ciascuna pagina di memoria

fisica.

Ciascun indirizzo virtuale è una tripla del tipo seguente:

<id-processo, numero di pagina, scostamento>

Ogni elemento della tabella delle pagine invertita è una coppia <id-processo, numero di pagina>

dove l’id-processo assume il ruolo di identificatore dello spazio d’indirizzi. Quando si fa un

riferimento alla memoria, si presenta una parte dell’indirizzo virtuale, formato da <id-processo,

numero di pagina>, al sottosistema di memoria. Quindi si cerca una corrispondenza nella tabella

delle pagine invertita. Se si trova tale corrispondenza, per esempio sull’elemento i, si genera

l’indirizzo fisico <i, scostamento>. In caso contrario è stato tentato un accesso illegale a un

indirizzo. sebbene questo schema riduca la quantità di memoria necessaria per memorizzare ogni

tabella delle pagine, aumenta però il tempo di ricerca nella tabella quando si fa riferimento a una

pagina. Per limitare l’entità del problema si può impiegare una tabella hash, che riduce la ricerca a

un solo, o a pochi, elementi della tabella delle pagine. Naturalmente, ogni accesso alla tabella

hash aggiunge al procedimento un riferimento alla memoria, quindi un riferimento alla memoria

virtuale richiede almeno due letture della memoria reale: una per l’elemento della tabella hash e

l’altro per la tabella delle pagine. Per migliorare le prestazioni, la ricerca si effettua prima nella TLB,

quindi si consulta la tabella hash.

Nei sistemi che adottano le tabelle delle pagine invertite, l’implementazione della memoria

condivisa è difficoltosa. Una semplice tecnica per superare il problema consiste nel porre nella

tabelle delle pagine una sola associazione fra un indirizzo virtuale e l’indirizzo fisico condiviso; ciò

comporta un errore dovuto all’assenza della pagina per ogni riferimento agli indirizzi virtuali non

associati (page fault).

8.6. SEGMENTAZIONE

Un aspetto importante della gestione della memoria, inevitabile alla presenza della paginazione, è

quello della separazione tra la visione della memoria dell’utente e l’effettiva memoria fisica. Lo

spazio d’indirizzi visto dall’utente non coincide con l’effettiva memoria fisica, ma lo si fa

corrispondere alla memoria fisica. I metodi che stabiliscono questa corrispondenza consentono di

separare la memoria logica dalla memoria fisica.

8.6.1. METODO DI BASE

La tipica struttura di un programma con cui i programmatori hanno familiarità è costituita di una

parte principale e di un gruppo di procedure, funzioni o moduli, insieme con diverse strutture dati

come tabelle, matrici, pile, variabili e cosi via.

La segmentazione è uno schema di gestione della memoria che consente di gestire questa

rappresentazione della memoria dal punto di vista dell’utente. Uno spazio d’indirizzi logici è una

raccolta di segmenti, ciascuno dei quali ha un nome e una lunghezza. Gli indirizzi specificano sia il

nome sia lo scostamento all’interno del segmento, quindi l’utente fornisce ogni indirizzo come una

coppia ordinata di valori: un nome di segmento e uno scostamento. Questo schema contrasta con

la paginazione, in cui l’utente fornisce un indirizzo singolo, che l’architetture di paginazione

suddivide in un numero di pagina e uno scostamento, non visibili al programmatore.

8.6.2. ARCHITETTURA DI SEGMENTAZIONE

Sebbene l’utente possa far riferimento agli oggetti del programma per mezzo di un indirizzo

bidimensionale, la memoria fisica è in ogni caso una sequenza di byte unidimensionale. Per

questo motivo occorre tradurre gli indirizzi bidimensionali definiti dall’utente negli indirizzi fisici

unidimensionali. Questa operazione si compie tramite una tabella dei segmenti; ogni suo elemento

è una coppia ordinata: la base del segmento e il limite del segmento. La base del segmento

contiene l’indirizzo fisico iniziale della memoria dove il segmento risiede, mentre il limite del

segmento contiene la lunghezza del segmento. Un indirizzo logico è formato da due parti: un

numero di segmento s e uno scostamento in tale segmento d. il numero di segmento si usa come

indice per la tabella dei segmenti; lo scostamento d dell’indirizzo logico deve essere compreso tra

0 e il limite del segmento, altrimenti s’invia un segnale di eccezione al sistema operativo.

8. APPROFONDIMENTI SARTIANI

Aspetti importanti del multiplexing:

- Sovrapposizione controllata: stati separati dei thread non dovrebbero collidere in

memoria fisica. Ovviamente, sovrapposizioni inattese causano il caos! Inversamente,

vorremo avere la possibilità di sovrapporli quando desiderato (per la

comunicazione/condivisione).

- Traduzione: Abilità di tradurre accessi da un address space (virtuale) a uno differente

(fisico). In presenza di un meccanismo di traduzione, il processore usa indirizzi virtuali,

mentre la memoria fisica usa indirizzi fisici. Effetti laterali: Può essere usata per evitare

l’overlap; Può essere usata per dare una visione uniforme della memoria ai programmi.

- Protezione: Impedire accessi alla memoria privata di altri processi. A pagine diverse

della memoria può essere dato uno speciale comportamento (sola lettura, invisibili ai

programmi utente, ecc). I dati del kernel protetti dai programmi degli utenti. I programmi

utenti sono protetti da se stessi.

9. MEMORIA VIRTUALE

La memoria virtuale è una tecnica che permette di eseguire processi che possono anche non

essere completamente contenuti in memoria. Il vantaggio principale offerto da questa tecnica è

quello di permettere che i programmi siano più grandi della memoria fisica; inoltre la memoria

virtuale astrae la memoria centrale in un vettore di memorizzazione molto grande e uniforme,

separando la memoria logica, com’è vista dall’utente, da quella fisica. Questa tecnica libera i

programmatori da quel che riguarda i limiti della memoria. La memoria virtuale permette inoltre ai

processi di condividere facilmente file e spazi d’indirizzi, e fornisce un meccanismo efficiente per la

creazione dei processi. La memoria virtuale è però difficile da realizzare e, s’è usata

scorrettamente, può ridurre di molto le prestazioni del sistema.

9.1. INTRODUZIONE

Gli algoritmi di gestione della memoria delineati nel precedente capitolo sono necessari perché,

per l’attivazione di un processo, le istruzioni da eseguire si devono trovare all’interno della

memoria fisica. Il primo metodo per far fronte a tale requisito consiste nel collocare l’intero spazio

d’indirizzi logici del processo relativo in memoria fisica. Il caricamento dinamico può aiutare ad

attenuare gli effetti di tale limitazione, ma richiede generalmente particolari precauzioni e un

ulteriore impegno dei programmatori.

La condizione che le istruzioni debbano essere nella memoria fisica sembra tanto necessaria

quanto ragionevole, ma purtroppo riduce le dimensioni dei programmi a valori strettamente

correlati alle dimensioni della memoria fisica. In effetti, da un esame dei programmi reali risulta che

in molti casi non è necessario avere in memoria l’intero programma; si considerino ad esempio le

seguenti situazioni:

- Spesso i programmi dispongono di codice per la gestione di condizioni di errore insolite.

Poiché questi errori sono rari, se non inesistenti, anche i relativi segmenti di codice non

si eseguono quasi mai.

- Spasso a array, liste e tabelle si assegna più memoria di quanta sia effettivamente

necessaria.

- Alcune opzioni e caratteristiche di un programma sono utilizzabili solo di rado.

Anche nei casi in cui è necessario disporre di tutto il programma è possibile che non serva tutto in

una volta. La possibilità di eseguire un programma che si trova solo parzialmente in memoria può

essere vantaggiosa per i seguenti motivi.

- Un programma non è più vincolato alla quantità di memoria fisica disponibile. Gli utenti

possono scrivere programmi per uno spazio degli indirizzi virtuali molto grande,

semplificando così le operazioni di programmazione;

- Poiché ogni utente impiega meno memoria fisica, si possono eseguire molti più

programmi contemporaneamente, ottenendo un corrispondente aumento dell’utilizzo e

della produttività della CPU senza aumentare il tempo di risposta o di completamento;

- Per caricare (o scaricare) ogni programma utente in memoria sono necessarie meno

operazioni di I/O, quindi ogni programma utente è eseguito più rapidamente.

La possibilità di eseguire un programma che non si trovi completamente in memoria apporterebbe

quindi vantaggi sia al sistema sia all’utente.

La memoria virtuale si fonda sulla separazione della memoria logica percepita dall’utente dalla

memoria fisica. Questa separazione permette di offrire ai programmatori una memoria virtuale

molto ampia, anche se la memoria fisica disponibile è più piccola. La memoria virtuale facilita la

programmazione, poiché il programmatore non deve preoccuparsi della quantità di memoria fisica

disponibile o di quale codice si debba inserire nelle sezioni sovrapponibili, ma può concentrarsi sul

problema da risolvere.

L’espressione spazio degli indirizzi virtuali si riferisce alla collocazione dei processi in memoria

dal punto di vista logico (o virtuale). Da tale punto di vista, un processo inizia in corrispondenza di

un certo indirizzo logico – per esempio, l’indirizzo 0 – e si estende alla memoria contigua, è tuttavia

possibile organizzare la memoria fisica in frame di pagine; in questo caso i frame delle pagine

fisiche assegnati ai processi possono non essere contigui. Spetti all’unità di gestione della

memoria (MMU) associare in memoria le pagine logiche alle pagine fisiche. Si noti come, allo heap

sia lasciato sufficiente spazio per crescere verso l’alto nello spazio di memoria, poiché esso ospita

la memoria allocata dinamicamente. In modo analogo, consentiamo alla pila di svilupparsi verso il

basso nella memoria, a causa di ripetute chiamate di funzione. Lo spazio vuoto ben visibile che

separa lo heap dalla pila è parte dello spazio degli indirizzi virtuali, ma richiede pagine fisiche

realmente esistenti solo nel caso che lo heap o la pila crescano. Oltre a separare la memoria

logica da quella fisica, la memoria virtuale offre, per due o più processi, il vantaggio di c