Info324 Memoire

7/29/2019 Info324 Memoire

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Info 324

Les systmes dexploitation II

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Dr. Samar TAWBI


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Gestion de la mmoire centrale

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Gestion de mmoire: objectifs

Optimisation de l utilisation de la mmoireprincipale = RAM

Le plus grand nombre possible de processus actifsdoit y tre gard, de faon optimiser lefonctionnement du systme enmultiprogrammation

garder le systme le plus occup possible, surtout lUCsadapter aux besoins de mmoire de l usager

allocation dynamique au besoin

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Mmoire/Adresses physiques et logiques

Mmoire physique:la mmoire principale RAM de la machine

Adresses physiques: les adresses de cette mmoire

Mmoire logique: lespace dadressage dun programme

Adresses logiques: les adresses dans cet espace

Il faut sparer ces concepts car normalement, lesprogrammes sont chargs de fois en fois dans positionsdiffrentes de mmoire

Donc adresse physique adresse logique

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Traductionadresses logiques adr. physiques

Dans les premiers systmes, un programme tait toujours charg dansla mme zone de mmoire

La multiprogrammation et lallocation dynamique ont engendr lebesoin de charger un programme dans positions diffrentes

Aujourdhui, ceci est fait par le MMU au fur et mesure que le progr.est excut

Ceci ne cause pas dhausse de temps d excution, car le MMU agit enparallle avec autres fonctions d UCT

P.ex. l MMU peut prparer l adresse d une instruction en mmetemps que l UCT excute l instruction prcdente

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Un mcanisme de translation dadresse est alors ncessaireTransformer les adresses symboliques en adresses relles

Registre de base (b): plus basse adresse mmoire utilise par unprocessus

Longueur (l): la longueur de lespace physique alloue

Peut tre formule sous la forme

1) Si a l alors violation de la mmoire3) Sinon f(a) = a = b+a4) a est une adresse valable

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F : S Ra b+a


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MMU: unit de gestion de mmoireunit de traduction adresses

(memory management unit)

Registrede base

Registre de base =la plus basse adresse mmoire utilise


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Permutation de programmes (swapping)

Un programme, ou une partie de programme,peut tre temporairement enlev de mmoirepour permettre lexcution dautres programmes

il est mis dans mmoire secondaire, normal. disque

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Affectation contigu de mmoire

Nous avons plusieurs programmes excuter

Nous pouvons les charger en mmoire les uns

aprs les autresLe programme en entier est chargle lieu o un programme est lu nest connu quaumoment du chargement

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Affectation contigu de mmoire

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SE

progr. 1

progr. 2

progr. 3

disponible

Nous avons ici 4 partitions pour des programmes -

chacun est charg dans une seule zone de mmoire


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Registres de relocation et de limite

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Allocation contigu

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Allocation partition multipleTrou bloc mmoire disponible; des trous de tailles variablessont parpills dans la mmoire.Quand un processus arrive, il est allou une zone mmoiredun trou suffisamment grand pour le contenir.

Le systme dexploitation maintient les informations sur:a) les partitions alloues b) les partitions libres (trous)

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OS

process 5

process 8

process 2

OS

process 5

process 2

OS

process 5

process 2

OS

process 5

process 9

process 2

process 9

process 10


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Fragmentation: mmoire non utilise

problme : Il y a assez d espace pourexcuter un programme, mais il estfragment de faon non contigu

externe: lespace inutilis est entre partitions

interne: lespace inutilis est dans lespartitions

La fragmentation interne na pas de solution

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Partitions fixes

Mmoire principalesubdivise en rgionsdistinctes: partitions

Les partitions sont soitde mme taille ou detailles ingales

Nimporte quel progr.peut tre affect unepartition qui soitsuffisamment grande


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Algorithme de placement pourpartitions fixes

Partitions de taillesingales: utilisation deplusieurs files

assigner chaque processus la partition de la plus petite

taille pouvant le contenir1 file par taille de partitiontente de minimiser lafragmentation interneProblme: certaines filesseront vides sil ny a pas deprocessus de cette taille(fr. externe)


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Algorithme de placement pourpartitions fixes

Partitions de taillesingales: utilisation duneseule file

On choisit la plus petite

partition libre pouvantcontenir le prochainprocessus

le niveau demultiprogrammationaugmente au profit de lafragmentation interne


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Partitions dynamiques

Partitions en nombre et tailles variables

Chaque processus est allou exactement la taille demmoire requise

Probablement des trous inutilisables se formeront dansla mmoire: cest la fragmentation externe


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Partitions dynamiques: exemple

(d) Il y a un trou de 64K aprs avoir charg 3 processus: pas assezdespace pour autre processus

Si P2 se bloquent (p.ex. attente dun vnement), il peut tre permut etP4=128Kpeut tre charg.


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Partitions dynamiques: exemple

(e-f) P2 est suspendu, P4 est charg. Un trou de 224-128=96K est cr

(fragmentation externe)(g-h) P1 se termine, P2 est repris : produisant un autre trou de 320-224=96K...Nous avons 3 petits trous et probablement inutiles. 96+96+64=256K defragmentation externeCOMPRESSION pour en faire un seul trou de 256K


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Compression (compaction)

Une solution pour la fragmentation externe

Les programmes sont dplacs en mmoire de faon rduire 1 seul grand trou plusieurs petits trousdisponibles

Effectue quand un programme qui demande dtreexcut ne trouve pas une partition assez grande, mais sataille est plus petite que la fragmentation externe existante

Inconvenients:temps de transfert programmesbesoin de rtablir tous les liens entre adresses de diffrents

programmes 21


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Algorithmes de Placement

pour dcider de lemplacementdu prochain processusBut: rduire le besoin de lacompression (qui prend dutemps...)

Choix possibles:Best fit: choisir le plus petit trou(meilleur accs)

First-fit: choisir 1er trou partirdu dbut (premier accs)

Next-fit: choisir 1er trou partirdu dernier placement (prochainaccs)

Worst fit: le plus grand (pireaccs)


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Allocation non contigu

Afin de rduire la fragmentationdiviser un programme en morceaux et permettre l`allocationspare de chaque morceaules morceaux sont beaucoup plus petits que le programmeentier et donc permettent une utilisation plus efficace de lammoire

les petits trous peuvent tre utiliss plus facilement

Deux techniques: la pagination et la segmentationla segmentation utilise des parties de programme qui ont une

valeur logique (des modules)la pagination utilise des parties de programme arbitraires(morcellement du programmes en pages de longueur fixe).elles peuvent tre combines

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L t t d ti l i d


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Les segments sont des parties logiques duprogramme

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AB

C D

Progr.

Princ. Donnes

Sous-

progr.

Donnes

JUMP(D, 100)

LOAD(C,250)

LOAD(B,50)

4 segments: A, B, C, D


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Les segments comme units dalloc mmoire

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0

2

1

3

0

3

1

2

espace usager mmoire physique

tant donn que les segments sont plus petits que les programmes entiers, cettetechnique implique moins de fragmentation (qui est externe dans ce cas)


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Mcanisme pour la segmentation

Un tableau contient ladresse de dbut de

tous les segments dans un processus

Chaque adresse dans un segmentest ajoute l adresse de dbutdu segment par la MMU

Tableau de descripteursde segments

0

3

1

2

mmoire physique

Adr de 2Adr de 1

Adr de 0

Adr de 3

segment courant


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DtailsLadresse logique consiste d une paire:

o dcalage est l adresse dansle segment

Le tableau des segments contient: descripteurs de segmentsAdresse (registre) de base

longueur du segmentInfos de protection,

Dans le PCB (Process Control Block) du processus il y aura unpointeur l adresse en mmoire du tableau des segments

Il y aura aussi l dedans le nombre de segments dans leprocessus

Au moment de la commutation de contexte, ces infos seront

charges dans les registres appropris dUC 27


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Traduction d`adresses dans la segmentation

Aussi, si d > longueur: erreur!

L i dt il (i l t d l


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Le mcanisme en dtail (implant dans lematriel)

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Dans le programme

Adresse finale

P t d t


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Partage de segments:le segment 0 est partag

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P.ex: Programme Word utilis pour diter

diffrents documents


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Segmentation et protection

Chaque descripteur de segmentpeut contenir des infos deprotection:longueur du segmentprivilges de lusager sur le segment: lecture, criture, excution

Si au moment du calcul de ladresse on trouve que lusager na

pas droit daccsinterruptionces infos peuvent donc varier d usager usager, par rapport aumme segment!

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limite base read, write, execute?

Tableau de descripteurs

de segments


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valuation de la segmentation simple

Avantages: lunit dallocation de mmoire estplus petite que le programme entierune entit logique connue par le programmeurles segments peuvent changer de place en mmoirela protection et le partage de segments sont aiss (en principe)

Inconvvients: le problme des partitions dynamiques:La fragmentation externe nest pas limine:

trous en mmoire, compression?

Une autre solution est dessayer simplifier le mcanisme enutilisant des units d`allocation mmoire de tailles gales

PAGINATION


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Segmentation contre pagination

Le pb avec la segmentation est que lunit dallocation demmoire (le segment) est de longueur variable

La pagination utilise des units dallocation de mmoirefixe, liminant donc ce problme

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Pagination simple

La mmoire est partitionne en petits morceaux de mmetaille: les pages physiques ou cadres ou frames

Chaque processus est aussi partitionn en petits morceauxde mme taille appels pages (logiques)

Les pages logiques dun processus peuvent donc treassigns aux cadres disponibles nimporte o en mmoireprincipale

Consquences:un processus peut tre parpill nimporte o dans la mmoirephysique.la fragmentation externe est limine


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Exemple de chargement de processus

Supposons que le processus B se termine ou est suspendu


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Exemple de chargement de processusNous pouvons maintenant

transfrer en mmoire un progr.D, qui demande 5 cadresbien qu`il ny ait pas 5 cadrescontigus disponibles

La fragmentation externe estlimite au cas que le nombre depages disponibles nest passuffisant pour excuter unprogramme en attente

Seule la dernire page dunprogr peut souffrir defragmentation interne (moy. 1/2cadre par proc)


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Tableaux de pages

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Les entres dans le tableau depages sont aussi appelesdescripteurs de pages


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Tableaux de pages

Le SE doit maintenir une table de pages pour chaque processus

Chaque descripteur de pages contient le numro de cadre o la pagecorrespondante est physiquement localise

Une table de pages est indexe par le numro de la page (logique)afin dobtenir le numro du cadre

Une liste de cadres disponibles est galement maintenue(free frame list)

T d i d d


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Traduction dadresses

Ladresse logique est facilement traduite en adressephysiquecar la taille des pages est une puissance de 2

les pages dbutent toujours des adresses quisont puissances de 2

qui ont autant de 0s droite que la longueur deloffset

donc ces 0s sont remplacs par loffset

Ex: si 16 bits sont utiliss pour les adresses et que lataille dune page = 1K: on a besoin de 10 bits pour le

dcalage, laissant ainsi 6 bits pour le numro de page

Ladresse logique (n,m) est traduite l adressephysique (k,m) en utilisant n comme index sur la tabledes pages et en le remplaant par l adresse k trouve

m ne change pas


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Mcanisme: matriel

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Traduction dadresse (logique


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Traduction d adresse (logique-physique) pour la pagination


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Trad. dadresses: segmentation et pagination

Tant dans le cas de la segmentation, que dans le casde la pagination, nous ajoutonsle dcalage ladressedu segment ou page.

Cependant, dans la pagination, laddition peut trefaite par simple concatnation:

11010000+1010=

1101 1010

Segmentation simple vs Pagination


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Segmentation simple vs Paginationsimple

La pagination se proccupe seulement du problme du chargement,

tandis queLa segmentation vise aussi le problme de la liaisonLa segmentation est visible au programmeur mais la pagination ne lestpasLe segment est une unit logique de protection et partage, tandis que lapage ne lest pas

Donc la protection et le partage sont plus aiss dans la segmentation

La segmentation requiert un matriel plus complexe pour la traductiondadresses (addition au lieu d`enchanement)

La segmentation souffre de fragmentation externe(partitionsdynamiques)La pagination produit de fragmentation interne, mais pas beaucoup (1/2cadre par programme)Heureusement, la segmentation et la pagination peuvent tre

combines


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Pagination et segmentation combines

Les programmes sont diviss en segments et les segmentssont pagins

Donc chaque adresse de segment n`est pas une adressede mmoire, mais une adresse au tableau de pages dusegment

Les tableaux de segments et de pages peuvent tre eux-mmes pagins

Mthode invente pour le systme Multics de lMIT, approx. 1965.

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Adressage (sans considrer la pagination des


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Adressage (sans considrer la pagination destableaux de pages et de segments)

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segment table base register: unregistre de l`UCT

s p d

d


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Exercice 2-1

(Allocation Contigu, Partition Dynamique)

On considre la suite de demandes dallocation (+) et de libration(-) suivantes dans un espace mmoire de 1000 blocs, en utilisantlallocation contigu avec des partitions dynamiques:

+300, +200, +260, -200, +100, -300, +250, +400, -260, +150,+120, -100, -120, +200, -150, -250, +100, -400, +600, -100, -200,-600

Indiquer comment, partir dune mmoire libre, lOS raliselallocation avec les stratgies Best Fit, First Fit.

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Exercice 2-2

Segmentation

On considre la table des segments suivante:

Calculer les adresses relles correspondant aux adresses virtuellessuivantes:(0, 128), (1, 99), (1, 100), (2, 465), (3, 888), (4, 100), (4, 344)

Segment Base Longueur

0 540 2341 1234 128

2 54 328

3 2048 1024

4 976 200

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Exercice 2-3Pagination

Dans un systme pagin, les pages font 256 mots chacune et lammoire centrale comprend 4 cadres. On considre la table des pagessuivantes

Calculer la taille de la mmoire physiqueDonnez le nombre de bits ncessaires pourladresse du programme (logique)

Calculer les adresses relles correspondantaux adresses logiques:

(0,240), (2,34), (2,35), (6,42), (7,230)Trouver ladresse relle correspondant ladresse virtuelle 456

0 3

1 0

2 i

3 i

4 2

5 i

6 i

7 1

48

De la pagination et segmentation la


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De la pagination et segmentation lammoire virtuelle

Un processus est constitu de morceaux (pages ou segments) ne

ncessitant pas doccuper une rgion contigu de la mmoire principaleRfrences la mmoire sont traduites en adresses physiques au momentdexcution

Un processus peut tre dplac diffrentes rgions de la mmoire, aussimmoire secondaire!

Donc: tous les morceaux dun processus ne ncessitent pas dtre enmmoire principale durant lexcutionLexcution peut continuer condition que la prochaine instruction (oudonne) est dans un morceau se trouvant en mmoire principale

La somme des mmoires logiques des procs en excution peutdonc excder la mmoire physique disponible

Le concept de base de la mmoire virtuelleUne image de tout lespace dadressage du processus est garde enmmoire secondaire (normal. disque) do les pages manquantes pourronttre prises au besoin

Mcanisme de va-et-vien ou swapping

Mmoire virtuelle:


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50

Mmoire virtuelle:rsultat dun mcanisme qui combinela mmoire principale et les mmoires secondaires

Nouveau format du tableau des pages


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Nouveau format du tableau des pages(la mme ide pour les tableaux de segments)

Adresse de la

page

Bit

prsent

bitprsent1 si en mm. princ.,

0 si en mm second.

Au dbut, bit prsent = 0 pour toutes les pages


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Pages en RAM ou sur disque

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Page A en RAM et surdisque

Page E seulement surdisque

A t d h t ti l


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Avantages du chargement partiel

Plus de processus peuvent tre maintenus en excution en

mmoireCar seules quelques morceaux sont chargs pour chaqueprocessus

Plusieurs pages ou segments rarement utiliss nauront peut tre

pas besoin d`tre chargs du tout

Il est maintenant possible dexcuter un ensemble de processuslorsque leur taille excde celle de la mmoire principale

Il est possible dutiliser plus de bits pour ladresse logique que lenombre de bits requis pour adresser la mmoire principale


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Mmoire Virtuelle: Pourrait tre norme!

Ex: 16 bits sont ncessaires pour adresser une mmoirecentrale de 64KB

En utilisant des pages de 1KB, 10 bits sont requis pour ledcalage

Pour le numro de pagede ladresse logique nous pouvonsutiliser un nombre de bits qui excde 6 (plus que 26 casesdans la table des pages), car toutes les pages ne doivent pasobligatoirement tre en mmoire simultanment

Donc la limite de la mmoire virtuelle est le nombre de bits

qui peuvent tre rservs pour l adresse

La mmoire logique est donc appele mmoire virtuelleEst maintenue en mmoire secondaireLes pices sont amenes en mmoire principale seulement quand

ncessaire, sur demande

E i d P


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Excution dun Processus

Le SE charge la mmoire principale de quelques pices

(seulement) du programme (incluant le point de dpart)

Chaque entre de la table de pages (ou segments) possde unbit prsent qui indique si la page ou segment se trouve enmmoire principale

Lensemble rsident (rsident set) est la portion du processusse trouvant en mmoire principale

Une interruption est gnre lorsque ladresse logique rfre une pice qui nest pas dans lensemble rsidentdfaut de pagination, page fault

Excution dun dfaut de page: va-et-vient


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Excution d un dfaut de page: va et vientplus en dtail

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Mmoirevirtuelle

Quand la RAM est pleine mais nous


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Quand la RAM est pleine mais nousavons besoin dune page pas en RAM

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Remplacement de pages

Quoi faire si un processus demande une nouvelle page et ilny a pas de cadres libres en RAM?

1. Trouver la location de la nouvelle page sur le disque.

2. Trouver un cadre libre:

Sil y en a un libre, lutiliser

Sinon, utiliser un algorithme de remplacement pourchoisir une page victime! (page dj en mmoire

principal).3. Lire la page demande dans le nouveau cadre libr.

4. Mettre a jour les tableaux de pages et de cadres.

5. Recommencer le processus 58


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La page victime...

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Algorithmes pour la politique de


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Algorithmes pour la politique deremplacement

Lalgorithme optimal (OPT) choisit pour page remplacer celle qui sera rfrence le plustardivement

Ex.: mm. De 4 cadres1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

6 dfauts de pages

produit le + petit nombre de dfauts de pageimpossible raliser (car il faut connatre le futur)

1

2

3

4

Algorithme Optimal


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61

Algorithme Optimal


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Algorithme LRU (Least Recently Used)

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Ordre chronologique dutilisation (LRU)Least Recently UsedRemplace la page dont la dernire rfrence remonte autemps le plus lointain (le pass utilis pour prdire le futur)


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Algorithme LRU

Pages Rfrences : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5

Implmentation de compteur

Chaque entre de page a un compteur; chaque fois que lapage est rfrence, on copie lhorloge dans le compteur

Quand une page a besoin dtre change, on examine lescompteur pour savoir laquelle choisir.

1

2

3

5

44 3

5

C i OPT LRU


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Comparaison OPT-LRU

Exemple: Un processus de 5 pages sil ny a que 3 pagesphysiques disponibles.Dans cet exemple, OPT occasionne 3+3 dfauts, LRU 3+4.

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P i i i ti (FIFO)


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Premier arriv, premier sorti (FIFO)

Logique: une page qui a t longtemps en mmoire a eu sa chance

d excuter

Lorsque la mmoire est pleine, la plus vieille page est remplace.Donc: first-in, first-out

Simple mettre en application

Mais: Une page frquemment utilise est souvent la plus vielle, ellesera remplace par FIFO!

65

C i d FIFO LRU


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Comparaison de FIFO avec LRU

Contrairement FIFO, LRU reconnat que les pages 2 and 5 sont

utilises frquemmentDans ce cas, la performance de FIFO est moins bonne:LRU = 3+4, FIFO = 3+6

I l t ti d FIFO


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Implantation de FIFO

Facilement implantable en utilisant une queue de cadres de

mmoireQui ne doit tre mis jour que chaque dfaut de pageExercice: concevoir limplantation de ce tampon (v. exemple prcdent)

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2 32

1

2

3 15

3 1

52 4

5

2

2

43

4

35

3

52

Lalgorithme de lhorloge (deuxime


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g gchance)

Semblable FIFO, mais il tient compte de lutilisation rcente depagesStructure liste circulaire

Les cadres qui viennent dtre utiliss (bit=1) ne sont pas remplaces(deuxime chance)

Les cadres forment conceptuellement un tampon circulaireLorsquune page est charge dans un cadre, un pointeur pointe sur leprochain cadre du tampon

Pour chaque cadre du tampon, un bit utilis est mis 1 (par lematriel) lorsque:

une page est nouvellement charge dans ce cadresa page (celle de ce cadre) est utilise

Le prochain cadre du tampon tre remplac sera le premierrencontr qui aura son bit utilis = 0.

Durant cette recherche, tout bit utilis = 1 rencontr sera mis 0

Algorithme de lhorloge: un exemple


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Algorithme de l horloge: un exemple

La page 727 est charge dans le cadre 4.

La proch. victime est 5, puis 8.

Comparaison: Horloge FIFO et LRU


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Comparaison: Horloge, FIFO et LRU

Astrisque indique que le bit utilis est 1Lhorloge protge du remplacement les pages frquemmentutilises en mettant 1 le bit utilis chaque rfrenceLRU = 3+4, FIFO = 3+6, Horloge = 3+5

Dtail s le fonctionnement de lho loge


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Dtail sur le fonctionnement de lhorloge

Tous les bits taient 1. Nous avons fait toutle tour et donc nous avons chang le bit detoutes les pages 0. Donc la 1re page est

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