Virtueller Speicher:

• Grundidee:

  Programmcode, Daten und Stack dürfen zusammen größer sein als der verfügbare Arbeitsspeicher

• Betriebssystem hält die benötigten Teile im Arbeitsspeicher und die anderen Teile liegen auf der Festplatte

• Kombinierbar mit Multiprogrammierung:

  Teile verschiedener Programme liegen gleichzeitig im Hauptspeicher

Virtuelle Adressierung

• virtuelle (logische) Adressen und physikalische Adressen können unterschiedlich sein

• Virtuelle Adressen werden mittels einer Adressabbildung in physikalische umgesetzt

• Es wird spezielle Hardware benötigt

  • (MMU - memory management unit)

  • Verwaltung obliegt dem Betriebssystem

Speicherverwaltungseinheiten:

• Zugriffskontrolle (Speicherschutz)

• Übersetzungstabelle mit Adresszuordnungen und Zugriffsrechten (Deskriptoren)

• TLB (translation lookaside buffer)

• interner Cache der MMU mit nur dem jeweils gerade benötigten Teil der Übersetzungstabelle.

• Globaler Teil (für das Betriebssystem selbst)

• Lokaler Teil (jeweils einer für jeden Prozess)

• Nur das Betriebssystem "weiß", in welchen physikalischen Speicherbereich es sich selbst oder einen Prozess geladen hat

• Bei einem Kontextwechsel muss das Betriebssystem auch die prozessbezogenen Übersetzungstabellen umschalten und den TLB löschen

Present/Absent-Bit - Seite im Hauptspeicher

• Gibt an, ob eine virtuelle Seite auf den physischen Speicher abgebildet wird oder nicht

Seitenfehler (page fault)

• Zugriff auf eine virtuelle Seite, die momentan nicht im Arbeitsspeicher liegt, sondern erst geladen (eingelagert) werden muss.

• Prozesse müssen nicht komplett speicherresident sein, um ablaufen zu können

• Lineare Speicheradressierung, keine Fragmentierung aus Programmierersicht

• Beim Prozesswechsel behält ein Prozess seine hauptspeicherresidenten Seiten. Er verliert sie erst, wenn sie von der Verwaltung des realen Speichers verdrängt werden

• Anwenderprogramme können den vollen virtuellen Adressraum nutzen, wenn genügend Festplattenspeicher vorhanden ist

• Der tatsächlich zugewiesene reale Speicherplatz ändert sich dynamisch entspr. Angebot u. Nachfrage

• Speicherschutzmechanismen sind einfach zu realisieren (Kerneladressraum-Schutz, Schutz vor anderen Prozessen)

• Abrufstrategie (Fetch Policy)

  • Demand Paging oder

  • Prepaging

• Speicherzuteilungsstrategie (Placement Policy)

• Austauschstrategie (Replacement Policy)

• Aufräumstrategie (Cleaning Policy)

Behandlung von Seitenfehlern:

• Sichere Register des betroffenen Prozesses und blockiere ihn

• Ermittle Adresse der fehlenden Seite

• Wähle freien Rahmen aus bzw. wenn keiner existiert einen belegten

• Sichere ggf. belegten Rahmen im Hintergrundspeicher

• Führe Prozesswechsel herbei, wenn es rechenbereite Prozesse gibt

• Lade benötigte Seite aus dem Hintergrundspeicher in den Rahmen

• Aktualisiere die Umsetzungstabelle

• Wecke den betroffenen Prozess und füge ihn in die „bereit" - Schlange ein

  
  

• Extremfälle:

  • Rechner vorwiegend mit Seitenwechseln beschäftigt

    => "thrashing" (engl.: Prügel, komplette Niederlage)

"Paging" Seitenaustausch

• für den Nutzer transparent (d.h. wird von ihm nicht bemerkt)

• Generelle Strategien, wann Paging stattfinden soll:

  • Demand Paging:

    Seiten werden nur dann gewechselt, wenn auf sie aktuell zugegriffen werden soll.

  • Pre-Paging:

    Seiten werden ausgetauscht, auf die in der Zukunft ein Zugriff erwartet wird.

  • Page Clustering:

    Mehrere zusammengehörende Seiten werden gemeinsam ausgetauscht.

• Legt den Zeitpunkt fest, wann eine modifizierte Seite auf die Paging-Area geschrieben wird

• Varianten:

  • Demand-Cleaning:

    • Bei Bedarf

    • Vorteil: Seite lang im Hauptspeicher

    • Nachteil: Verzögerung bei Seitenwechsel

  • Precleaning:

    • Präventives Zurückschreiben, wenn Zeit ist

    • Vorteil: Frames in der Regel verfügbar

  • Page-Buffering:

    • Listen verwalten

    • Modified List: Wird zwischengepuffert

    • Unmodified List: Für Entladen freigegeben

    • Heute üblich (siehe Windows)

• Die Strategie zur Auswahl dieser zu verdrängende Seite wird in einem Seitenersetzungsalgorithmus festgelegt

• Mögliche „bedarfsgerechte“ Strategien (Demand-Paging):

  • First-In, First-Out (FIFO)

  • Least-Recently-Used (LRU)

  • Not-Recently-Used (NRU)

  • Not-Frequently-Used (NFU)

  • Second-Chance, Clock-Page

• Kurzzeitstatistiken erforderlich: Speicherung in den Seitentabelleneinträgen

• FIFO (First In First Out):

  • Seite, die am längsten im Speicher war

• LRU (Least Recently Used):

  • Seite, die am längsten nicht mehr zugegriffen wurde

• Second Chance

• Clock Page

First-In First-Out:

• Die älteste Seite wird ersetzt

• Vorteil:

  • Einfach zu implementieren, geringer Overhead, in konkreten Betriebssystemen im Einsatz

  • FIFO-Liste über alle Seitentabelleneinträge

  • Recht einfach zu implementieren

• Nachteil:

  • Wirft möglicherweise wichtige Seiten aus dem Hauptspeicher

Least-Recently-Used

• Die Seite wird ersetzt, deren letzte Nutzung zeitlich am weitesten zurückliegt

• Der Zeitpunkt, seitdem die Seite unbenutzt ist, wird gemessen

  → quantitative Zeitmessung notwendig

• Vorteil:

  • liefert gute Ergebnisse

• Nachteil:

  • Verfahren ist aufwändig zu realisieren:

  • Eigene Hardware (MMU) zur Berechnung sinnvoll, aber selten vorhanden

Second Chance

• Verbesserung von FIFO

• Ist älteste Seite schon benutzt, wird sie nicht ausgelagert, sondern an das Ende der Liste gehängt

  • Achtung: Einlagerung nicht gleich Nutzung!

• Wenn alle Seiten schon referenziert wurden, entspricht die Auswahl der zu ersetzenden Seiten dem FIFO-Algorithmus

Clock Page

• Implementierungsverbesserung zu Second Chance

• Seiten werden in zirkulierender Liste wie eine Uhr verwaltet

• Bei einem Seitenfehler wird immer die Seite untersucht, auf die gerade der „Uhrzeiger“ verweist, der Seitentabelleneintrag wird nicht umgehängt

Clock Page Algorithmus

• Bei page fault:

  • Seite, auf die Zeiger verweist wird ausgelagert, falls R-Bit = 0

  • Wenn R = 1, wird R = 0 gesetzt und der Zeiger auf die nächste Seite gestellt

  • Das geht so lange, bis eine Seite mit R = 0 gefunden wird

Virtuelle Speicherung – Alternativen:

• Auslagerung von ganzen Prozessen

• Auslagerung von Prozessen, die ...

  • ohnehin warten

  • schon lange gerechnet haben

  • schlechte Priorität haben

  • besonders hohen Speicherbedarf haben

Unter Linux:

• Fetch-Policy:

  • Demand Paging ohne Prepaging

• Replacement- und Cleaning-Strategie:

  • Replacement über eine Art Clock-Page-Algorithmus

• Placement-Policy:

  • Speicherbelegung erfolgt über Buddy-Technik

Unter Android:

• Im Wesentlichen identisch mit Linux mit dem Fokus auf kleine Geräte und Speichersysteme

• Adressumsetzung:

  • Zweistufige Seitentabelle

• Strategien:

  • Fetch-Policy:

    • Demand Paging

  • Replacement- und Cleaning-Strategie:

    • Replacement über eine Art Clock-Page-Algorithmus

    • Cleaning über eine Art Page Buffering

  • Placement-Policy:

    • Speicherbelegung erfolgt über Buddy-Technik

• Fetch-Policy:

  • Nutzung von Demand Paging

  • Ab Windows 2003 wird auch Prepaging verwendet

• Replacement- and Cleaning-Policy:

  • Kombination aus lokaler und globaler Ersetzungsstrategie

  • Clock-Page bei Einprozessormaschinen

• Placement-Policy:

  • Nicht näher erläutert

• Allgemeine Definition:

  • Unter Virtualisierung versteht man Methoden zur Abstraktion von Ressourcen mit Hilfe von Software

• Virtuelle Maschine verhält sich wie die reale Maschine

• Diverse Varianten:

  • Virtuelle Computer: Server- und Desktopvirtualisierung (= Betriebssystembzw. Plattformvirtualisierung)

  • Storage Virtualisierung

  • Anwendungsvirtualisierung

  • Virtuelle Prozessumgebungen (Prozessmodell und virtueller Speicher)

  • Virtuelle Prozessoren: Java Virtual Machine (JVM)

  • Netzwerkvirtualisierung (vLAN)

• Reale Maschine

• Virtuelle Maschine (VM)

• Hostbetriebssystem

  • Synonyme: Wirt, Host, Gastgeberbetriebssystem oder Hostsystem

• Gastbetriebssystem

  • Synonyme: Gast, Guest oder Gastsystem

• Virtual Machine Monitor (VMM)

  • Synonym: Hypervisor

Emulation:

• Komplette Nachbildung der Hardware in Software

Virtualisierung:

• Geringer Teil der Befehle müssen nachgebildet werden, die meisten Befehle laufen direkt auf der Hardware (direkter Aufruf aus VM aus)

Vorteile:

• Weniger Hardware notwendig

• bessere Hardwareauslastung durch Serverkonsolidierung

  • Heutige Server sind meist bei weitem nicht ausgelastet

• Weniger Leistungsaufnahme für Rechner und Klimatisierung

• Flexibilität bei Aufbau einer Infrastruktur, schnelle Bereitstellung wird unterstützt, VMs beliebig vervielfältigbar und archivierbar

• Vereinfachte Wartung, Life-Migration, unterbrechungsfrei, auch Technologiewechsel ohne Betriebsunterbrechung

• Unterstützt Verfügbarkeits- und Ausfallsicherheitskonzepte

• Unterstützung auch historischer Anwendungen

Nachteile:

• Geringere Leistung als reale Hardware

• Overhead von 5 bis 10 %

• Schwierig bei spezieller Hardwareunterstützung

  • z.B. Hardware-Dongles, spezielle Grafikkarten

• Bei Ausfall eines Serverrechners fallen gleich mehrere virtuelle Rechner aus

  → hohe Anforderungen an Ausfallkonzepte und Redundanz

Vorteile:

• der geringe Verwaltungsaufwand.

• Anwendung läuft in einer isolierten Umgebung

• Anwendungsfälle

  • Internet-Service-Provider, die (virtuelle) Root-Server oder Webdienste anbieten

  • automatisierte Installation komplexer Anwendungssoftware in einer definierten Umgebung

• Beispiele für Virtualisierungslösungen:

  • Docker

  • das Betriebssystem Solaris von Oracle (vormals Sun Microsystems)

  • OpenVZ für Linux

  • Linux-VServer, das Betriebssystem FreeBSD

  • Virtuozzo12

  • FreeVPS

• 1988 von David Patterson, Garth Gibson und Randy Katz eingeführte Methode, um mehrere kleinere Laufwerke zu einem mit Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturmechanismen ausgestatteten, ausfallgesicherten Verbund zusammenzuschalten.

  • Titel des Papers: "A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID)"

• Sie führten ursprünglich 5 Levels ein RAID 1 bis RAID 5.

• Heute reicht die Bandbreite der verfügbaren Level von RAID 0 bis RAID 7, und kombinierte Technologien wie RAID 0+1, RAID 1+0 oder RAID 50.

• RAID 1 bietet zwar Redundanz aber die Kosten sind hoch und die Performance geht zurück.

• Besser die Einführung von Fehlerkorrekturverfahren: