Sistem Operasi Komputer

Sistem Operasi Komputer
Sistem Operasi Komputer
Pertemuan IX – Memori Virtual
Memori Virtual
•
•
•
•
•
•
•
Latar belakang
Demand paging
Unjuk kerja demand paging
Page replacement
Algoritma page replacement
Pengalokasian frame
Trashing
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
1
Sistem Operasi Komputer
Latar belakang
• Memori virtual
– Pemisahan antara memori lojik dan memori fisik dari programprogram yang dipakai user
– Caching
• Ruang alamat lojik dapat lebih besar daripada ruang alamat fisik
• Menambah efektivitas dan utilitas CPU
– Hanya sebagian dari program yang dibutuhkan dalam memori
pada saat eksekusi (penyederhanaan pengelolaan memori)
– Ruang alamat dapat di-share oleh proses (security dan
protection)
• Dapat diimplementasikan dengan
– Demand paging
– Demand segmentation
• Virtual memori memindahkan (mengcopy) isi RAM yang
tidak digunakan ke dalam secondary memory (disk)
Penggunaan Kapasitas Memori
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
2
Sistem Operasi Komputer
Hirarki memori
cache
CPU
regs
Register
ukuran:
kecepatan:
$/Mbyte:
transfer:
32 B
1 ns
8B
C
a
c
h
e
8B
32 B
virtual memory
Memory
Cache
4 KB
Memory
32 KB-4MB
2 ns
$125/MB
32 B
Disk
Disk Memory
1024 MB
30 ns
$0.20/MB
4 KB
100 GB
8 ms
$0.001/MB
Lebih besar, lambat, murah
Sistem Virtual Memori
Memory
0:
1:
Page Table
Virtual
Addresses
0:
1:
Physical
Addresses
CPU
P-1:
N-1:
Disk
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
3
Sistem Operasi Komputer
Memori virtual > Memori fisik
Memori virtual adalah bagian dari memori lojik dari memori fisik
Demand paging
• Konsep sama dengan swapping (sistem
paging)
– Proses disimpan dalam memori sekunder (disk)
– Jika proses akan dieksekusi, dipindahkan ke
memori (lazy swapper)
– Digunakan valid/invalid bit
– Valid page yang diperlukan ada dalam memori
utama
– Invalid page yang diperlukan tidak ada dalam
memori utama
• Page dibutuhkan gunakan referensi
– Referensi invalid hentikan proses
– Tidak ada di memori bawa ke memori
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
4
Sistem Operasi Komputer
Transfer page secara contiguous
Page fault (1)
• Valid / invalid bit
Frame #
valid-invalid bit
1
1
1
1
0
M
0
0
0
page table
• Mula-mula diset dengan 0, untuk semua entry
• Pada saat translasi, jika valid/invalid bit menunjukkan 0
page fault, dengan kata lain jika frame yang
diinginkan tidak ada di memori virtual
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
5
Sistem Operasi Komputer
Page Fault (2)
Setelah page fault
Sebelum page fault
Memory
Memory
Page Table
Page Table
Virtual
Addresses
Physical
Addresses
Virtual
Addresses
Physical
Addresses
CPU
CPU
Disk
Disk
Page tidak ada di memori
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
6
Sistem Operasi Komputer
Mengatasi page fault
1. Mengecek tabel internal
(biasa tersimpan dalam
PCB) untuk menentukan bit
referensi valid / invalid
2. Referensi
1. invalid stop proses
2. valid, dan page belum
dikenali panggil ke
memori
3. Cari frame kosong
4. Algoritma page
replacement
5. Refresh tabel internal
6. Restart instruksi
Effective access time (1)
• Demand paging turut menentukan kinerja sistem
komputer
Page Fault Rate 0 ≤ p ≤ 1.0
if p = 0 no page faults
if p = 1, every reference is a fault
Effective Access Time (EAT):
EAT = (1 – p) x memory access time
+ p ( page fault overhead
+ [swap page out ]
+ [swap page in]
+ [restart overhead] )
• Memory access time (ma), komputer modern antara
10 – 200 nsec (1 nsec = 10-9 sec)
• Jika tidak ada page fault, maka EAT sama dengan
ma
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
7
Sistem Operasi Komputer
Effective access time (2)
• Memory access time = 1 µsec = 10-3 msec
• 50% page telah digunakan dan akan di-swappedout
• Swap Page Time = 10 msec = 10000 µsec
Maka: EAT = (1 – p) x 1 + p (15000)
= 1 + 14900p (dalam µsec)
EAT berbanding lurus dengan kecepatan page fault
Page Replacement (1)
Virtual Page
Number
Memory resident
page table
Valid
(physical page
or disk address)
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
Physical Memory
Disk Storage
(swap file or
regular file system file)
8
Sistem Operasi Komputer
Page replacement (2)
Memori fisik penuh
Page replacement
Page replacement (3)
•
•
Jika sudah tidak ada memori yang kosong, sedangkan proses
membutuhkan tempat di memori untuk eksekusi page
replacement
Page fault dimodifikasi dengan menambahkan page replacement
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
9
Sistem Operasi Komputer
Algoritma Page Replacement
•
•
•
•
•
FIFO
Optimal
Least Recently Use (LRU)
Diinginkan page fault rate yang terendah
Dijalankan dengan menggunakan urutan referensi memori tertentu, dan
menghitung banyaknya page fault rate
Algoritma FIFO
• Posisi page yang paling lama yang digantikan
• Cara pandang “mundur”
• Muncul Belady’s Anomaly kecepatan page fault akan
bertambah jika frame dalam memori virtual juga bertambah
•Jumlah page fault = 15
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
10
Sistem Operasi Komputer
Ilustrasi FIFO – Belady’s Anomaly
Algoritma Optimal
•
Page yang tidak digunakan dalam waktu dekat akan digantikan
• Cara pandang “maju”
• Jumlah page fault = 9
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
11
Sistem Operasi Komputer
Algoritma LRU
• Menggantikan page yang “baru saja tidak dipakai”
• Gabungan FIFO dan Optimal
• Stack implementation
Referensi page:
Page yang menggantikan diletakkan di atas
Page yang sudah “lama” (baru saja tidak dipakai) ada di
bawah
• Jumlah page fault = 12
Pengalokasian Frame
•
•
•
•
•
Setiap proses butuh jumlah frame minimum yang diperlukan dalam
eksekusi
Equal allocation
– Jika disediakan 100 frame (=m) untuk 5 proses (=n), maka tiap
proses, mendapat 20 page (=m / n)
Proportional allocation
– Mengalokasikan sesuai dengan ukuran proses
Global allocation
– Proses-proses boleh “berkompetisi” mengalokasikan page yang
dialokasikan kepada dirinya
Local allocation
– Proses hanya dapat mereplace page yang dialokasikan pada
dirinya
– Jumlah page untuk suatu proses tetap
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
12
Sistem Operasi Komputer
Proportional allocation
si = size of process pi
S = ∑ si
m = total number of pages (frames)
s
ai = allocation for pi = i x m
S
m = 64
s 1 = 10
s 2 = 127
10
137
127
=
137
a1 =
X 64
≈ 5
a2
X 64
≈ 59
Trashing
•
•
Terjadi jika suatu proses sibuk melakukan page replacement terusmenerus (tidak memiliki page yang cukup) dan mengabaikan
pemrosesan
Efek dari global allocation (“mencuri” page (frame) dari proses lain)
atau jika jumlah local page melebihi kapasitas memori yang ada
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
13
Sistem Operasi Komputer
Linux VM
process virtual memory
vm_area_struct
task_struct
mm_struct
mm
vm_end
vm_start
vm_prot
vm_flags
pgd
mmap
shared libraries
vm_next
0x40000000
vm_end
vm_start
vm_prot
vm_flags
pgd:
• page directory address
vm_prot:
• read/write permissions
for this area
vm_flags
• shared with other
processes or private to
this process
data
0x0804a020
vm_next
text
vm_end
vm_start
vm_prot
vm_flags
vm_next
0x08048000
0
Linux mengorganisasikan VM sebagai koleksi “Area”
Win NT/2000: Memory Management
RAM
App 1
2 GB
Program
Address
Space
App 2
App 1
1
2
App 1
App 2
Virtual
Memory
Manager
2 GB
Program
Address
Space
App 1
App 2
3
Pages
System
Demand
Paging
4
Disk
Pagefile.sys
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
Virtual
Memory
14
Sistem Operasi Komputer
Win 2000: Memory Management Information
1•
Total penggunaan
virtual memory dari
memori fisik (Total
“VM” + Kernel
Memory yang dipaged-kan)
2• “Limit yang disetujui”
= jumlah memori fisik
tersedia + ukuran
total paging yang
terjadi
1
1
2
Win 2000: Informasi Memori pada Proses
1•
•
“Mem Usage” = memori
fisik yang digunakan
proses
Note: page yang dishare dihitung pada tiap
proses
2•
“VM Size” = virtual
memori yang tidak dishare (private)
3•
“Mem Usage” total
memori yang digunakan
(jumlah kolom
mem.usage)
1
2
3
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
15
Sistem Operasi Komputer
Win: Informasi pengelolaan memori
1•
“System Cache” ukuran
total memori fisik untuk
page, berisi:
• NtosKrnl.Exe
• Drivers
• File system cache
2• “Available” = jumlah
memori fisik yang
belum dialokasikan
untuk proses
2
1
Latihan soal (1)
1. Apakah yang terjadi jika alamat lojik lebih
besar dibandingkan dengan alamat fisik ?
2. Jelaskan konsep memori virtual !
3. Apa yang akan dilakukan oleh sistem operasi
jika terjadi page fault ?
4. Jelaskan konsep page replacement !
5. Mengapa Linux menggunakan memori virtual
dalam melakukan manajemen memori ?
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
16
Sistem Operasi Komputer
Latihan soal (2)
6. Diketahui referensi page sebagai berikut:
1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
Diasumsikan bahwa proses dijalankan dengan
urutan referensi memori di atas. Diasumsikan juga
bahwa frame mula-mula kosong.
Hitunglah jumlah page fault yang terjadi, apabila
diketahui jumlah frame yang tersedia adalah 3.
Gunakan algoritma page replacement
a) FIFO (First In First Out)
b) Optimal
c) LRU (Least Recently Used)
Universitas Kristen Maranatha -- IT Department
17