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1 番地 メモリ メモリ オペレーティングシステム OS OS, ユーザプログラム, メモリ上に置かれる 第 回仮想記憶管理 () 8 号館 階 N- 内線 9 n 番地 プログラム プログラム メモリ上の位置は 次元のアドレスで管理 メモリ メモリ メモリの記憶階層 小 短 高 記憶装置本, 資料特徴 キャッシュ記憶チップ上容 DRAM ハードディスク 量大 アクセス時間長 価格低 -8 秒 - 秒 - 秒 キャッシュ (cache memory) (main memory) (secondary memory) 手で保持 作業机 倉庫 すぐ読めるごくわずかな量しか持てない 座ったまますぐ手に取れる置ける量は限られる 部屋を出て取りにいく必要あり大量に置ける プロセッサ と プログラム プログラム - 秒 倍 - 秒 プロセッサは を直接読むことはできない 使用するプログラム, は上にコピー スワップイン, スワップアウト (swap-in, swap-out) スワップイン (swap-in) プログラム, を からに 実行中のプロセスに必要なものを読み込む スワップアウト (swap-out) プログラム, をからに スワップインの領域を確保するために当面必要のないものを退避させる

2 仮想記憶 (virtual memory) 仮想記憶 (virtual memory) 動的再配置により容量よりも大きなアドレス空間を提供 仮想記憶 ング (paging) ング (paging), 仮想記憶を固定長のブロックに分割 (page frame) 上の固定長のブロック (page) 仮想記憶上の固定長のブロック サイズ k KB ~8KB 仮想記憶 上に仮想記憶を作る ング 必要なプログラム, の載っているが. 上にある場合そのまま実行プログラム ング 必要なプログラム, の載っているが. 上に無い場合 フォルト (page fault) からにを読み込む イン (page in) プログラム プログラム 小サイズサイズ小 部断片化小内大 テーブルサイズ低 からの転送効率低 フォルト率テーブルが巨大 例 : 仮想記憶を GB, 8KB で構成 エントリ数約 万 テーブルはプロセスごとに独立 ングの問題点 例 : 個のプロセスを実行 大 大 高 高 エントリ数約 万 エントリ B なら約 MB

3 ングの問題点の解法 テーブルが巨大 ハッシュ (hash) 関数によるテーブル テーブルサイズ仮想記憶と同じ 実記憶と同じ もっと改善するには? 多重レベルング 多重レベルング (multilevel paging) 多重レベルング (multilevel paging) ングを多段化 Lv テーブル Lv テーブル 多重レベルング Lv テーブル に Lv ングのテーブル の Lv テーブル の Lv テーブル の Lv テーブル の構成 Lv 多重レベルング Lv内相対アドレス Lv内相対アドレス Lv アドレスが二重構造例 Lv 内相対アドレス = Lv ングの 多重レベルング Lv テーブル の Lv テーブル 多重レベルング Lv テーブル から Lvテーブルを イン フォルト発生

4 多重レベルング Lv テーブル の Lv テーブル 多重レベルングの利点 多重レベルングの利点 使用量の削減 当面必要でないテーブルは に置く多重レベルングの欠点 メモリアクセスの増大 を用いればアクセス数を減らせる 一般的にプログラムは一度アクセスしたアドレスを近いうちに再アクセスすることが多い 最近参照されたテーブルを CPU 内で記憶 小容量 高速統計的にはレジスタサイズは 8~ エントリで9% のヒット率 CPU テーブル ペーペーポイ h(x) ジジ枠ンタ を記憶 へ 回のアクセス CPU 枠 h(x) テーブル ポインタ へ 回のアクセス 大きさは無制限 理想的な仮想記憶 ングで可能 プロセスは記憶容量を考慮する必要無し プログラムの簡単化, バグの可能性減少プロセス毎に固有 他プロセスからのアクセスに対し保護プログラム部, 部, スタック部等を分離 プロセス内部からのアクセスに対し保護必要時にはプロセス間で共有可能 並列動作するプロセス間で通信機構として使用これも実現したい

5 (segmentation) セグメント (segment) プログラム, の論理的なかたまり メインルーチン, サブルーチン, 等 (segmentation) セグメントを単位として分割 各セグメントは大きさを自由に増減可能 プロセス 領域 スタック領域 プロセス 領域 領域 セグメント プロセス間で共有可能 スタック領域 プロセス プロセス ング 必要なプログラム, の載っているセグメントが. 上にある場合 領域 スタック領域 領域 プロセス間で共有不可能 そのまま実行 プログラム 必要なプログラム, の載っているセグメントが. 上に無い場合セグメントフォルト (segment fault) プログラムプログラム からにセグメントを読み込む セグメントイン (segment in) からへの変換表 セグメント P C 8

6 からへの変換表 セグメント P C 仮想記憶上のセグメント 8 からへの変換表 セグメント P C 実記憶上のセグメントの開始位置 8 からへの変換表 セグメント P C セグメントの長さ 8 からへの変換表 セグメント P C 実記憶上にスワップインされているか 8 からへの変換表 セグメント P C アクセス権 (read, write, execute) 8 からへの変換表 セグメント P C セグメントイン後に書き換えられたか 8

7 セグメントの開始位置 上にある場合 上に無い場合 セグメントフォルト発生 上に無い場合 セグメントイン 最良一致, 先頭一致等で 挿入位置を決定 8 セグメント内相対アドレス > セグメントオーバフローエラー (segment overflow error) の動作 セグメント i へのアクセス yes エラー 開始 相対アドレス >? no i の =? yes i へアクセス no セグメントアウトするセグメント j の決定 j の C =? yes i を から読み込み no j を に書き出し

8 の長所と短所 長所 大きさを増減可能 プログラム部, 部等用途別に割り当て可能短所 外部断片化が発生ングと組み合わせる 化 (paged segmentation) 化 (paged segmentation) を複数ので構成 セグメントごとにテーブルを用意テーブル 化,,,, 9,, に各セグメントのテーブル セグメント のテーブル セグメント のテーブル セグメント のテーブル 化 の構成 セグメント セグメント内相対アドレス 内相対アドレス アドレスが二重構造例 セグメント内相対アドレス = ングの 化 9,, セグメントのテーブル 化の利点 外部断片化の回避 単位で割り当て複数セグメント 各セグメントは大きさ増減可能 複数使用により用途別に使い分け可能プロセス間共有 とほぼ同様に共有可能テーブルの分散 テーブルが複数に分割されるので, 一部を仮想記憶に追い出すことで使用量削減 8

9 フェッチ技法 フェッチ技法 (fetch) 要求時フェッチ (demand fetch) プログラムが参照したときにを読み込む プリフェッチ (prefetch) 参照前に予めを読んでおく フェッチ技法ング食材 要求時フェッチ プリフェッチ 必要としたときにイン 必要なを予測して予めイン 毎回食事前に購入 週間分のメニューを予測して週末に購入 要求時ング (demand paging) 要求時ング (demand paging) 必要になった時点でイン要求時ングの長所 不必要なをインせずにすむ 予測の必要無し要求時ングの短所 新しいを参照する度にイン発生 処理 転送の並行動作が行えない プリング (prepaging) プリング (prepaging) 必要なを予測して予めインプリングの長所 プロセス実行時間が短縮 ( 予測が正しければ ) CPU 内部の処理と転送を並行に行える プリングの条件 予測の確度が高いトレードオフ 予測処理が低コスト 参照の局所性 (locality of reference) 参照の局所性 (locality of reference) へのアクセスは一部のアドレスに集中する可能性が高い時間局所性 最近参照されたは近い将来に再度参照される可能性が高い空間局所性 あるが参照されると近くのも近い将来に参照される可能性が高い 時間局所性 時間局所性 最近参照されたは近い将来に再度参照される可能性が高い 空間局所性 空間局所性 あるが参照されると近くのも近い将来に参照される可能性が高い sum = ; for (int i:=; i<n; ++i) { sum := sum + a[i]; } for ループ内では変数 i, sum が繰り返し参照される sum = ; for (int i:=; i<n; ++i) { sum := sum + a[i]; } for ループ内では a[], a[],, a[n] が順に参照される 9

10 プログラムの特徴 局所性の原因 関数, メソッドを用いて構造化 関数内ではアクセスする記憶領域がほぼ同じ ( 時間 & 空間局所性 ) プログラムの大部分はループで構成 ループ制御変数等 同一変数へのアクセス ( 時間局所性 ) 配列等連続領域へのアクセス ( 空間局所性 ) インしたの近くのも必要になる可能性が高い プリフェッチ技法 プリフェッチ技法 要求時プリフェッチ (demand prefetch) 多くのプログラムで 度参照したの近傍のが参照される を参照時に近傍のも読み込む 初期ロードプリフェッチ (initiate load prefetch) プログラム開始直後はフォルトが多発 プログラム開始時に近傍のも読み込む まとめ 多重レベルング テーブルを多段化 の部を複数に分割 テーブル分割により使用量削減 ( 必要の無いテーブルは 上に置く ) まとめ 仮想記憶と実記憶を対応させる可変長な単位 プロセスあたり複数のセグメントを許す セグメント間のオーバラップ ( 共有領域 ) を許す化 ングとの利点を融合 外部断片化を回避 使用量の削減 フェッチ技法 まとめ 必要そうなを予測して予め読み込む 参照されたの近傍のも読む プログラム開始時に近傍のも読む

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