L3 Informatique - Systèmes d exploitation

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1 L3 Informatique - Systèmes d exploitation Gestion de la mémoire D. Béchet Denis.Bechet@univ-nantes.fr Université de Nantes Faculté des Sciences et Techniques 2, rue de la Houssinière BP Nantes cedex 3, France L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 1/43

2 Ressource importante Mémoire Ressource hiérarchisée mémoire cache : très rapide, peu importante, gérée par le matériel mémoire principale : rapide, importante, gérée par le SE mémoire secondaire (disques durs) : lente, très importante, gérée par le SE Gestion par le gestionnaire de la mémoire du SE But : offrir un espace d adressage indépendant aux processus : la mémoire virtuelle L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 2/43

3 Mémoire virtuelle Processus 1 Processus 2 Processus 3 Processus 4 Mémoire virtuelle Mémoire virtuelle Mémoire virtuelle Mémoire virtuelle Système d exploitation Mémoire réelle Disque dur L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 3/43

4 Gestion de la mémoire Type de gestionnaires Avec ou sans échange avec la mémoire secondaire (swaping sur disque dur) Avec ou sans pagination Avec ou sans segmentation L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 4/43

5 Monoprogrammation 1 seul processus, pas d échange, pas de pagination : exemple MS-DOS 0xFFF... Programme utilisateur Système d exploitation en ROM Gestionnaire de périphériques en ROM Programme utilisateur 0 Système d exploitation en RAM Programme utilisateur Système d exploitation en RAM L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 5/43

6 Monoprogrammation 1 seul processus, pas d échange, pas de pagination Le SE charge le programme en mémoire puis l exécute appel système EXIT : le SE reprend la main lorsque le programme se termine appel système EXEC : le programme utilisateur demande au SE de charger et exécuter un autre programme qui remplace le programme courant L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 6/43

7 Partitions de taille fixe Partitionnement à priori de la mémoire en n zones (éventuellement de tailles différentes) plusieurs processus, pas d échange, pas de pagination exemple mainframe d IBM sous OS/360 Files d attente multiples 800K 800K Partition 4 Partition 4 Partition 3 600K 500K File d attente unique Partition 3 600K 500K Partition 2 Partition 2 Partition 1 Système d exploitation en RAM 300K 200K 0 Partition 1 Système d exploitation en RAM 300K 200K 0 L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 7/43

8 Réservation par les processus Les programmes déclarent la taille dont ils ont besoin au chargement Le SE cherche une zone libre de taille suffisante plusieurs processus, pas d échange, pas de pagination exemple MINIX (ancêtre de Linux) Système d exploitation en RAM Processus 1 Système d exploitation en RAM Processus 3 Processus 3 Processus Processus 2 Processus 2 Processus 2 Processus 2 Processus 1 Processus 1 Processus 4 Système Système Système Système d exploitation d exploitation d exploitation d exploitation en RAM en RAM en RAM en RAM L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 8/43

9 Problèmes liés à la multiprogrammation Réallocation : un processus doit pouvoir être chargé à n importe quelle adresse mémoire Translation des adresses globales lors du chargement du programme en mémoire Utilisation des modes d adressage relatif à un registre (pile/instruction/registre de segment) Protection : interdire à un processus l accès à l espace mémoire des autres processus et du système d exploitation registres de protection : base + limite bits de protection des pages de la mémoire L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 9/43

10 Problème d espace mémoire Système à temps partagé : la mémoire disponible peut être insuffisante à un moment donné 1. Interdire de nouveaux processus (exemple MINIX) 2. Placer certains processus en mémoire secondaire pour libérer de l espace mémoire en attendant que la charge mémoire diminue. Les processus swapés ne sont pas exécutables 3. Placer des bouts de la mémoire des processus en mémoire secondaire : mécanisme de la mémoire virtuelle. Les processus sont partiellement exécutables L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 10/43

11 Echange sur mémoire secondaire (swap) Processus 3 Processus 3 Processus 3 Processus 3 Processus Processus 2 Processus 2 Processus 2 Processus Processus Processus 1 Processus 1 Processus Processus 4 Processus 4 Processus Système Système Système Système Système Système Système Système d exploitation d exploitation d exploitation d exploitation d exploitation d exploitation d exploitation d exploitation en RAM en RAM en RAM en RAM en RAM en RAM en RAM en RAM Le processus 1 est placé en attente sur le disque Nécessite un mécanisme de réallocation dynamique (registres base + limite) L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 11/43

12 Mémoire virtuelle Pagination : adresse = numéro de page + déplacement Segmentation : adresse = base d un segment + déplacement L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 12/43

13 Pagination Indirection : adresse linéaire adresse physique Espace virtuel de 64K Adresses linéaires X X X X X 7 X X X Pages virtuelles de 4K Pages physiques de 4K Mémoire réelle de 32K Adresse physique 28K 32K 24K 28K 20K 24K 16K 20K 12K 16K 8K 12K 4K 8K 0 4K L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 13/43

14 Pagination Indirection : adresse linéaire adresse physique MMU : memory management unit (unité de gestion mémoire) Table des pages : tableau donnant pour chaque page virtuelle : si la page virtuelle correspond ou non à une page physique dans ce cas, le numéro de la page physique les droits d accès (lecture/modification/exécution) d autres informations: page accédée, modifiée, etc L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 14/43

15 Table des pages Espace virtuel de 64K Adresses linéaires X X X X X 7 X X X Pages virtuelles de 4K Pages physiques de 4K Mémoire réelle de 32K Adresse physique 28K 32K 24K 28K 20K 24K 16K 20K 12K 16K 8K 12K 4K 8K 0 4K Table des pages Page absente Page présente Page physique numéro 7 accès en lecture ou en modification accès en lecture ou en exécution accès en exécution L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 15/43

16 Pagination Indirection : adresse linéaire adresse physique Adresse physique x3C31 Table des pages x6C31 Adresse linéaire virtuelle L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 16/43

17 Table des pages à deux niveaux Double indirection : adresse linéaire adresse physique Adresse physique x88A7EC31 Table des pages de 2ième niveau Table des pages de 2ième niveau numéro numéro Table des pages de 1er niveau xD9B66C31 Adresse linéaire virtuelle L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 17/43

18 Table des pages Utilisée par le matériel (MMU). Un registre du MMU contient l adresse de la table des pages de 1er niveau Le SE gère les tables Chaque processus possède sa propre table des pages = chaque processus a son propre espace virtuel Entrée d une table (suivant le type de CPU) : 1. bit présent/absent 2. numéro de la page physique 3. bits de protections : accès en lecture, modification, exécution, mode utilisateur/noyau 4. bits modifié et accédé mis à 1 par le MMU lorsque la page est modifiée ou accédée 5. bit d inhibition du cache (par exemple pour l accès direct à la mémoire vidéo) L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 18/43

19 Gestion de l espace virtuel des processus Le SE offre un espace virtuel à tous les processus Le SE accepte toutes les demandes de création/modification de l espace virtuel utilisateur par les processus en mode utilisateur : Création initiale des zones du code, des données et de la pile (lors d un execve()) Chargement des librairies dynamiques (à la fin du execve()) Extension du tas vers le haut (brk() et indirectement malloc()) Mémoire partagée avec les fonctions IPC shmat() et shmdt() Projection de fichier avec les fonctions mmap() et munmap()... L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 19/43

20 Remplacement des pages Si la mémoire physique n est pas suffisante, le SE décide de libérer des pages physiques en plaçant leur contenu en mémoire secondaire = fichier/partition de swap sur le disque dur Une processus accédant à une page placée sur disque engendre une exception : un défaut de page Le SE doit alors recharger la page manquante depuis le disque (en plaçant éventuellement une autre page physique dans la mémoire secondaire) et relancer le processus qui a créé l exception L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 20/43

21 Statistiques $ for in in a a a a a a a a a a a ; do ls -lr /usr > /dev/null & done [1] $ top top - 15:17:22 up 7:07, 1 user, load average: 14.86, 4.85, 1.77 Tasks: 107 total, 22 running, 85 sleeping, 0 stopped, 0 zombie Cpu(s): 72.5% us, 26.9% sy, 0.0% ni, 0.0% id, 0.0% wa, 0.7% hi, 0.0% si Mem: 61852k total, 60624k used, 1228k free, 6148k buffers Swap: 88316k total, 12624k used, 75692k free, 4268k cached PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 4465 bechet R :09.65 ls 4482 bechet R :02.79 ls... $ free total used free shared buffers cached Mem: /+ buffers/cache: Swap: L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 21/43

22 Statistiques $ cat /proc/1/status Name: init State: S (sleeping) SleepAVG: 90% Tgid: 1 Pid: 1 PPid: 0 TracerPid: 0 Uid: Gid: FDSize: 32 Groups: VmSize: 1408 kb VmLck: 0 kb VmRSS: 496 kb VmData: 148 kb VmStk: 4 kb VmExe: 28 kb VmLib: 1204 kb Threads: 1... L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 22/43

23 Espace virtuel d un processus $ cat /proc/1/maps f000 r-xp 0 03: /sbin/init 0804f rw-p : /sbin/init rw-p : r-xp 0 03: /lib/ld so rw-p : /lib/ld so rw-p : b r-xp 0 03: /lib/tls/libc so rw-p : /lib/tls/libc so b000 rw-p :00 0 bffff000-c rw-p bffff000 00:00 0 ffffe000-fffff p 0 00:00 0 L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 23/43

24 Espace virtuel avec IPC $ lecteur_shm & [1] $ cat /proc/15175/maps r-xp 0 03: /home/bechet/cours/c/lec a000 rw-p 0 03: /home/bechet/cours/c/lec r-xp 0 03: /lib/ld so rw-p : /lib/ld so rw-p : b r-xp 0 03: /lib/tls/libc so rw-p : /lib/tls/libc so b000 rw-p : b r--s 0 00: /SYSV000186ac (deleted) bfffe000-c rw-p bfffe000 00:00 0 ffffe000-fffff p 0 00:00 0 L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 24/43

25 Espace virtuel avec maps $ lecteur_proj & [1] $ cat /proc/15325/maps r-xp 0 03: /home/bechet/cours/c/lec a000 rw-p 0 03: /home/bechet/cours/c/lec r-xp 0 03: /lib/ld so rw-p : /lib/ld so rw-p : r--s 0 03: /home/bechet/cours/c/ess rw-p : b r-xp 0 03: /lib/tls/libc so rw-p : /lib/tls/libc so b000 rw-p :00 0 bfffd000-c rw-p bfffd000 00:00 0 ffffe000-fffff p 0 00:00 0 L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 25/43

26 Espace virtuel d un processus Divisé en pages virtuelles (en général de 4K ou 8K) Chaque page virtuelle est indépendante des autres: Non allouée = l accès engendre une exception Segmentation fault Allouée à de la mémoire privée, à une zone IPC de mémoire partagée ou à une projection d un fichier ou la copie d une zone. Les données sont alors soit non reservées (la page n a pas encore été accédée), soit en mémoire principale ou secondaire (dans la zone de swap ou dans le fichier projeté). Un accès non autorisé engendre une exception Segmentation fault : page non-allouée, tentative de modification sur une page protégée en écriture, etc L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 26/43

27 Algorithmes de remplacement de pages Quand un défaut de page se produit, le SE doit remplir une page libre avec des zéros ou bien depuis la mémoire secondaire = il doit parfois libérer une page en mémoire physique pour faire de la place Le SE doit choisir une page à libérer Si une page physique n a pas été modifiée (bit modifié à 0), il la libère directement Si la page a été modifiée, il doit d abors la recopier en mémoire secondaire puis il peut la libérer L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 27/43

28 Algorithme optimal de remplacement Libérer une page qui ne sera plus utilisée ou bien libérer la page qui sera utilisée le plus tard possible = impossible : le SE doit être un devin L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 28/43

29 Une page récemment non utilisée bit page modifiée : la page a été modifiée bit page accédée : la page a été accédée depuis la dernière remise à zéro du bit Le SE met régulièrement (typiquement 20ms) tous les bits accédés à zéro = permet de connaître les pages récemment utilisées Les pages sont libérées dans l ordre suivant : 1. une page non accédée récemment et non modifiée 2. une page non accédée récemment et modifiée (précédement) 3. une page accédée récemment et non modifiée 4. une page accédée récemment et modifiée (précédement) L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 29/43

30 Première page entrée, première sortie Algorithme très simple et rapide sur la liste de pages : la page la plus ancienne est libérée Fonctionne même en l absence du bit page accédée L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 30/43

31 Algorithme de la seconde chance Algorithme similaire au précédent mais qui regarde le bit page accédée de la page la plus ancienne = si la page a été accédée, elle est mise en queue de la liste des pages (avec son bit accédé mis à zéro) et on regarde la page suivante dans la liste L algorithme termine même si toutes les pages ont été accédées car après un tour toutes les pages ont le bit accédé à zéro Mis-en-oeuvre à l aide d une liste circulaire L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 31/43

32 La page la moins récemment utilisée Idée : les pages les plus référencées les pages les plus utilisées dans le futur proche Idée : les pages les moins récemment utilisées les pages peu ou pas utilisées dans le futur Libérer la page la moins récemment accédée = principe intéressant mais coûteux sauf avec un matériel spécialisé L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 32/43

33 Page à la demande Pas d allocation non sollicitée : seules les pages effectivement accédées par un processus sont placées dans son espace virtuel Les pages correspondant au code et aux données d un programme ou d une librairie dynamique ne sont pas chargées lors de l initialisation du processus (lors de l appel execve()) mais lorsque le processus y accède Un processus commence sa vie sans avoir de page physique associée à son espace virtuel La première opération d un processus consiste à charger la page correspond au code de démarrage du processus L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 33/43

34 Copie lors de la première modification Pas de copie lors d un fork() : les pages du processus d origine sont marquées en lecture seule et ne sont copiées dans le processus fils ou père qu à la première modification = patage maximum des pages physiques entre père et fils Projection directe du programme en mémoire même pour les sections modifiables (segment data) = option MAP_PRIVATE de l appel système mmap() L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 34/43

35 Extension automatique de la pile Si un processus accède à la page qui se trouve juste sous la pile, le SE suppose que le processus a besoin de plus de place pour la pile = la zone de pile s agrandit automatiquement L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 35/43

36 Vérrouillage des pages Les processus privilégiés (root) peuvent demander à ce que des zones de leur espace virtuel ne soient pas swapables sur la mémoire secondaire Appel système mlock(adresse, longeur) Applications Algorithmes temps réel (musique/vidéo) Traitement des données confidentielles L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 36/43

37 Rôle du SE dans la pagination 1. Permettre de définir l espace virtuel d un processus en terme de zone de pages ayant des caractèristiques identiques 2. Gérer les tables des pages des processus 3. Récupérer les défauts de page engendrés par les processus et effectuer le traitement approprié 4. S assurer à chaque instant d un ensemble de pages physiques libres en plaçant éventuellement des pages sur la mémoire secondaire L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 37/43

38 Gestion des défauts de pages 1. Récupérer l adresse virtuelle qui a déclenché l erreur 2. Déclencher une exception Segmentation fault si l adresse ne correspond à aucune zone de l espace virtuel (attention au cas de l extension automatique de la pile) ou à un accès non autorisé 3. En cas d écriture, si la page est en mode copie à la première modification : la page est recopiée vers une nouvelle page physique qui devient modifiable 4. Si la page n a pas encore été accédée et correspond à une zone initialisée à zéro : une page physique nulle est associée à la page virtuelle 5. Si la page correspond à une projection d un fichier, une page physique est associée à la zone du fichier ainsi qu à l espace virtuel 6. Sinon, la page a été swapée L3 Informatique -et Systèmes il d exploitation faut la- Gestion recharger de la mémoire - Version p. 38/43

39 Segmentation Historiquement important mais peu utilisé de nos jours où on préfère la pagination Adresse segmentée = Numéro de segment/numéro de registre de ségment + déplacement Segment = Adresse de base + Taille + Droit d accès Adresse physique = Adresse de base du segment + déplacement Valide si déplacement < Taille et les droits d accès sont respectés L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 39/43

40 Intérêts de la segmentation Moins complexe que la pagination Permet le déplacement de la zone de mémoire physique correspondant à un segment vers une autre zone (pour faire de la place, augmenter la taille d un segment) Réalisable (dans les CPU) avec des registres de segments contenant la base, la taille et les droits du segment Autorise la séparation des informations (code, données, pile) Simplifie la gestion des librairies dynamiques si le matériel autorise l utilisation de nombreux segments en même temps L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 40/43

41 Windows (2000/XP) et Linux La segmentation possible du Pentium n est pas utilisée (La base de tous les segments est 0) La pagination est présente dans les deux SE Espace virtuel de 4Go (pour le Pentium): 0 à 0x7FFFFFF (XP) ou 0 à 0xBFFFFFF (Linux) pour l espace en mode utilisateur et noyau et 0x8 à 0xFFFFFFFF (XP) ou 0xC à 0xFFFFFFFF pour l espace en mode noyau La partie haute (noyau) est identique pour tous les processus Page à la demande Copie à la première modification Algorithmes de remplacement différents entre les deux SE L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 41/43

42 Remplacement des pages pour Windows Les processus ont un pool de pages physiques associées variant entre un minimum et un maximum Un thread système se charge de mettre ou d enlever les pages physiques du pool d un processus Deux threads systèmes sont chargés de mettre sur la mémoire secondaire des pages modifiées sorties du pool des processus (swap ou projection de fichier) Un thread système est chargé de swapper toutes les pages des processus inactif depuis un certain temps Les pages physiques qui ne sont pas dans un pool sont modifiée, propres, libres, à zéro ou défectueuses Algorithme local et gobal au processus L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 42/43

43 Remplacement des pages pour Linux Algorithme global aux processus Le thread système kswapd se charge de la libération des pages Cherche à atteindre un taux de pages libres disponibles Libération des pages sur le principe de la recherche de pages non utilisées récemment L3 Informatique - Systèmes d exploitation - Gestion de la mémoire - Version p. 43/43