Chargement de processus Allocation contigüe Allocation fragmentée Gestion de pages. Gestion mémoire. Julien Forget

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1 Julien Forget Université Lille 1 École Polytechnique Universitaire de Lille Cité Scientifique Villeneuve d Ascq GIS / 46

2 Rôle du gestionnaire de mémoire Le gestionnaire de mémoire a pour rôle de : Allouer de la mémoire aux processus ; Connaître les zones mémoire libres ou occupées ; Récupérer de la mémoire en fin d exécution ; Traiter le va-et-vient entre le disque et la mémoire centrale (swap). 2 / 46

3 Plan 1 Chargement de processus en mémoire 2 Allocation d une zone mémoire contigüe 3 Allocation fragmentée 4 Gestion de pages 3 / 46

4 Chargement en mémoire d un programme Un programme doit être placé en mémoire centrale (RAM) afin d être exécuté (sous forme de processus) ; Ce chargement en mémoire prend du temps ; Un processus se trouve souvent interrompu au cours de son exécution, par exemple en attente d une Entrée/Sortie ; Le système a l objectif de conserver le plus grand nombre de processus actifs en mémoire. 4 / 46

5 Liaison d adresses Au chargement en mémoire chaque donnée et instruction se trouve positionnée (liée) à une adresse mémoire ; La liaison peut être décidée à 3 moments : Compilation : On génère un code absolu, avec adresses physiques fixes. Nécessite d avoir une vision globale de l utilisation mémoire à la compilation ; Chargement : La compilation génère un code translatable, sous forme d un décalage par rapport à une adresse de base déterminée au chargement ; Exécution : liaison retardée jusqu à l exécution, le processus peut être déplacé au cours de son exécution. 5 / 46

6 Comparaison des différents types de liaisons Compilation (early binding) : Code très rapide ; Code très prédictible ; Très peu flexible. Chargement (delayed binding) : Vous l avez déjà rencontré sans le savoir : le linker (ld) utilisé par gcc ; Permet la compilation séparée (.o) ; Portabilité, partage de code. Exécution (late binding) : Très flexible, permet la reconfiguration au cours de l exécution ; Typiquement utilisé pour des librairies partagées ; Code moins efficace. 6 / 46

7 Adresse logique vs adresse physique On distingue : Une adresse mémoire physique : une case dans la mémoire centrale ; Une adresse mémoire logique : une adresse utilisée par un programme et calculée lors de la compilation. Nécessite de faire la correspondance entre adresse physique et adresse logique. 7 / 46

8 Code translatable Traduction entre adresse logique et adresse physique effectuée par l unité de gestion mémoire (MMU : Memory Management Unit) Utilisation de registres spéciaux : Registre de translation donne l adresse de début de la zone allouée à un programme donné ; Ajout du registre de translation à chaque adresse mémoire générée par le compilateur (pas de modification de l instruction). Avantage : les programmes peuvent être déplacés en mémoire. 8 / 46

9 Code translatable 9 / 46

10 Code translatable et protection Problème : Un processus ne doit pas pouvoir accéder à la mémoire réservée à un autre ; Solution : Utilisation de deux registres spéciaux : registre de translation et registre de limite ; Registre limite contient la limite supérieure des adresses logiques réservées au processus ; Vérification de non-dépassement à l aide du registre de limite. 10 / 46

11 Code translatable et protection 11 / 46

12 Le va-et-vient (swap) Parfois nécessaire de décharger temporairement un processus ; Il faut sauver l état du processus! swap. Recopier (swap out) sur une mémoire de réserve (un espace sur le disque) les processus non actifs ; Ramener (swap in) en mémoire centrale les processus réactivés.. 12 / 46

13 Plan 1 Chargement de processus en mémoire 2 Allocation d une zone mémoire contigüe 3 Allocation fragmentée 4 Gestion de pages 13 / 46

14 Allocation de partitions fixes Division de la mémoire en N partitions (pas forcément de tailles égales) 14 / 46

15 Allocation de partitions fixes (2) (a) : Une nouvelle tâche est placée dans la file d attente de la plus petite partition pouvant la contenir Espace inutilisé perdu! Problème : une file d attente peut être pleine alors qu une autre est vide. (b) : Dès qu une partition est libre, on y place le 1 er processus de la file d attente pouvant y tenir ; Optimisations possibles pour (b) : Parcours de la file d attente pour trouver la plus grande tâche pouvant y tenir (pénalise les petites tâches) ; Interdire la non-sélection d une tâche prête plus de k fois. 15 / 46

16 Partitions fixes : limitations N est efficace que si : On a une bonne connaissance à priori des processus à exécuter ; La consommation mémoire de l ensemble des processus n est pas beaucoup plus grande que la taille de la mémoire. Peu adapté aux système multi-tâche modernes, on préfère : Allocation de partitions variables ; Va-et-vient des processus entre la mémoire et le disque. 16 / 46

17 Partitions variables Partitions variables Nombre et taille des processus varient au cours du temps ; Améliore l usage de la mémoire MAIS complique son allocation et sa libération. Solution = compactage, mais ceci demande beaucoup de temps Problèmes : Connaître la taille mémoire requise par un processus à priori (pb : allocation dynamique) ; Si manque d espace libre : Déplacer le processus dans une partition plus grande? Recopier le processus sur disque jusqu à libération de place? Tuer le processus? 17 / 46

18 par table de bit (bit map) La mémoire est divisée en unités d allocation de taille identique (ex : k) ; Une unité = un bit dans la table ; Un processus de taille T nécessite T /k unités contigües. Problèmes : Unité petite => grande table ; Unité grande => perte de place mémoire ; Recherche de x unités consécutives dans la table potentiellement lente. 18 / 46

19 par liste chaînée Gestion d une liste chaînée des segments libres et occupés : 19 / 46

20 Mis à jour de la liste 4 combinaisons possibles quand X se termine : 20 / 46

21 Algorithmes de placement First fit : première zone libre suffisamment grande : Simple et rapide ; Mais perte de place ; Best fit : plus petite zone libre suffisamment grande : Evite le fractionnement ; Mais plus lent (parcours de toute la liste) ; Paradoxalement : plus grande perte de place mémoire (multiplication de petites zones inutilisables) Worst fit : plus grand résidu. Pas de bon résultat en simulation. 21 / 46

22 Compactage Objectif : récupérer les petites zones libres suite à de multiples allocations ; Si le programme est translable : 1 Déplacement des instructions et des données ; 2 Modification du registre de base. Solution simple : déplacer tous les processus vers une extrémité de la mémoire. Très coûteux! Sélection d une stratégie de compactage optimale très difficile ; Le compactage est souvent peu rentable et donc peu utilisé. 22 / 46

23 Compactage : déplacement mémoire Différentes stratégies de compactage et l impact sur la quantité de mémoire déplacée. 23 / 46

24 Plan 1 Chargement de processus en mémoire 2 Allocation d une zone mémoire contigüe 3 Allocation fragmentée 4 Gestion de pages 24 / 46

25 Pagination et segmentation Principe : Difficile de trouver une zone mémoire contigüe pour programme + données + pile Diviser un programme en morceaux ; Permettre l allocation séparée de chaque morceau. Les morceaux plus faciles à loger en mémoire (réduction des trous) ; On ne garde en mémoire que les parties de programme utilisées. Le reste est stocké sur disque (swap) ; Deux techniques de base : Pagination : découpage arbitraire d un programme en plusieurs pages de même taille ; Segmentation : découpage d un programme en fonction de sa structure en plusieurs segments de tailles différentes. 25 / 46

26 Principe de la pagination Espace logique divisé en pages ; Mémoire physique divisée en cases mémoires (page frames) ; Pages et cases mémoires sont de même taille ; Table des pages : donne la correspondance entre l espace virtuel et l espace physique. 26 / 46

27 Principe de la pagination 27 / 46

28 MOVE REG 8192 (8k) transformée en MOVE REG (24k) car 8-12k mappée sur la case 6 (24-28k) ; 8 cases physiques donc seules 8 pages logiques effectivement présentes simultanément ; Si page logique non présente, la MMU provoque un déroutement (trap) pour défaut de page. 28 / 46

29 Fonctionnement interne d une MMU 29 / 46

30 La table des pages Problèmes 1 La table des pages peut être très grande. Exemple : Adresse logiques sur 32 bits et pages de 4k ; Possibilité d adressage logique de 0 à 2 32 ; Nombre de page = 232 = 2 20 pages => 2 20 entrées dans la table (plus d un million!!). 2 La correspondance doit être rapide car effectuée à chaque référence mémoire. 30 / 46

31 Table des pages multi-niveaux Exemple : adresse logique sur 32 bits divisée en 3 champs : PT1 = 10 bits : index dans la table des hyperpages : permet l accès à une table des pages de 2 nd niveau ; PT2 = 10 bits : index dans la table des pages de 2 nd niveau. Permet l accès à une case mémoire ; Déplacement (dans une page) = 12 bits NB : on ne stocke pas les tables de second niveaux inutilisées fort gain de place! 31 / 46

32 Table des pages multi-niveaux (2) 32 / 46

33 Une entrée d une table des pages Bit de modification : vrai si la page est accédée en écriture. Si vrai, alors lors du retrait de la page de la mémoire il faut la sauver sur le disque (swap) ; Bit de référence : vrai si la page est accédée en lecture ou écriture. Permet au système de décider quelle page retirer lors d un défaut de page ; Bit de présence : permet de savoir si la page est déjà chargée. 33 / 46

34 La segmentation Plusieurs espaces d adresses indépendants appelés segment. Ex : un compilateur utilise plusieurs tables au cours de la compilation Table des symboles (les variables) ; Table des constantes ; L arbre d analyse syntaxique du programme ; La pile utilisée pour les appels de procédures (fonctions) du compilateur. 34 / 46

35 La segmentation (2) Chaque segment manipule des adresses de 0 à... ; Chaque segment peut croître indépendamment ; Les segments peuvent être partagés entre plusieurs programmes ; Une adresse est spécifiée par un numéro de segment et une adresse dans le segment. 35 / 46

36 Calcul d adresse avec segment 36 / 46

37 Partage de segments Très utile pour les bibliothèques partagées. 37 / 46

38 Mémoire segmentée et paginée On découpe chaque segment en plusieurs pages ; Permet d éviter d avoir à charger des segments trop gros ; Adresse logique = segment+page+déplacement. 38 / 46

39 Plan 1 Chargement de processus en mémoire 2 Allocation d une zone mémoire contigüe 3 Allocation fragmentée 4 Gestion de pages 39 / 46

40 Pagination à la demande Les pages d un processus : Ne sont pas toutes utilisées simultanément ; Ne sont pas toutes utilisées aussi souvent ; Pagination à la demande. Charger une page en mémoire uniquement quand elle est utilisée ; Le premier référencement de la page est dérouté vers l OS (trap) qui la charge alors en mémoire. 40 / 46

41 Défaut de page 41 / 46

42 Remplacement de pages Trouver l emplacement de la page désirée sur le disque ; Trouver un cadre de page libre ; S il en existe un, l utiliser ; Sinon, utiliser un algorithme de remplacement de pages pour sélectionner un cadre de page victime ; Enregistrer la page victime sur le disque, modifier les tables de pages et de cadres de pages en conséquences ; Lire la page désirée dans le cadre de page libéré, modifier les tables de pages et cadres de pages ; Continuer le processus. 42 / 46

43 Remplacement de pages FIFO Défaut de page : Retrait de la page en queue de file (la plus ancienne) ; Ajout de la nouvelle page en tête de file. Performance : très peu de temps de calcul ; Mais : la page retirée peut éventuellement être très utilisée ; Politique rarement utilisée telle que. 43 / 46

44 FIFO : anomalie de Belady Intuitivement, on peut penser que plus il y a de cases, moins il y aura de défauts de pages 44 / 46

45 LRU (Least Recently Used) Remplacer la page la moins récemment utilisée Il peut être considéré comme très bon 45 / 46

46 Algorithme optimal Il s agit de remplacer la page qui sera réutilisée la plus tard Stratégie impossible à mettre en pratique car il faudrait prévoir les références futures d un programme. 46 / 46

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