השאלה הבאה תעסוק במנגנון הזיכרון הווירטואלי ב- Linux כפי שנלמד בתרגולים. יש להניח לאורך כל השאלה בי ארכיטקטורת המערכת היא 32-IA וגודל דף השווה בגודלו לגודל המסגרת הפיזית, כ- 4KB. סארי, עתודאי חרוץ שלקח הסמסטר מערכות הפעלה, בונה ספרייה להקצאת זיכרון דינמי בדומה לזו שכתבתם בתרגיל בית 4. סייעו לו בהבנת הנושא לעומק בעזרת מענה על הסעיפים הבאים, והקפת נכון/לא נכון במקום המתאים. עיינו בקוד הבא שכתב סארי: #define SIZE 100 int main() { char* array = (char*)malloc(SIZE); for(int i=0; i<SIZE; ++i) array[i] = 0; // More non-relevant code } הניחו כי malloc() ממומשת באמצעות sbrk() בלבד, בדיוק כפי שעשיתם בחלקים המתקדמים של תרגיל בית 4. בסעיפים 1-3 בלבד הניחו כי התהליך המריץ את קוד A הוא היחיד במערכת ושזוהי הקריאה הראשונה ל-malloc() במערכת. עיינו בקוד הבא שכתב סארי: #define SIZE 10000 char* array = NULL; // Global variable int main() { array = (char*)malloc(SIZE); for(int i=0; i<SIZE; ++i) array[i] = 0; sched_yield(); free(array); return 0; } הניחו שבמערכת תהליכים רבים, בנוסף לתהליך המריץ את קוד B. שימו לב: סעיפים 4 ו-5 ללא הסבר. עיינו בקוד הבא שכתב סארי: #define SIZE 10000 void* p1, p2; // Global variables int main() { p1 = malloc(SIZE); work_with_p1(p1); // This function uses p1 for computations free(p1); p2 = malloc(2*SIZE); work_with_p2(p2); // This function uses p2 for computations free(p2); return 0; } הניחו שבמערכת תהליכים רבים, בנוסף לתהליך המריץ את קוד C.
Full original question text (raw OCR)
שאלה 3 – זיכרון וירטואלי (25 נק') – 9 סעיפים
בקוד A יש בעיה של פרגמנטציה פנימית במרחב הזיכרון הווירטואלי - נבון / לא נכון. הסבירו.
fork/exec address-space semanticsבקוד A יש בעיה של פרגמנטציה פנימית במרחב הזיכרון הפיזי - נבון / לא נכון. הסבירו.
fork/exec address-space semanticsבהתייחס לקוד A: במידה ו-malloc() תמומש באמצעות קריאת המערכת mmap() בלבד, לא תהיה בעיית פרגמנטציה פנימית במרחב הפיזי - נכון / לא נכון. הסבירו.
fork/exec address-space semanticslibc syscall wrapper caching pitfallsהמערך array (בקוד B) בהכרח מוקצה באופן רציף במרחב הזיכרון הווירטואלי - נכון / לא נכון.
fork/exec address-space semanticsSRT / preemptive Gantt constructionהמערך array (בקוד B) בהכרח מוקצה באופן רציף במרחב הזיכרון הפיזי - נכון / לא נכון.
fork/exec address-space semanticsSRT / preemptive Gantt constructionסארי טוען שישנה בעיית אבטחה בקוד B, מכיוון שהיא מוותרת על המעבד (sched_yield) דבר המאפשר לתהליך אחר לגשת למערך array - נבון / לא נכון. הסבירו.
SRT / preemptive Gantt constructionסארי טוען ששורה 6 אינה מטיבה עם ניהול הזיכרון הפיזי במערכת, וניתן להסירה – נכון / לא נכון. הסבירו.
libc syscall wrapper caching pitfallsreview:T2·22סארי טוען ששורה 9 אינה מטיבה עם ניהול הזיכרון הפיזי במערכת, וניתן להסירה – נכון / לא נכון. הסבירו.
libc syscall wrapper caching pitfallsreview:T2·22בהנחה שהתהליך המריץ את C רץ בשלמותו ללא החלפות הקשר ועל מחשב בעל ליבה אחת, האם טענתו של סארי בסעיף 8 נכונה? נכונה / לא נכונה. הסבירו.
Linux VMA vm_flags interpretationCopy-on-write fork memory protectionPage fault error code classification
The exam question — original PDF
pages 9, 10, 11Exactly as it appears on the exam paper.
Built from these components
Ordered basic → advanced. Master the earlier ones first.
Review the material
Read these before you answer — each verified slide teaches a component this question tests, and nothing from an unrelated topic is included. Tutorial slides show the actual slide image.
On-demand paging & readahead • On-demand paging rpt – OS maps / reads page from disk into DRAM only if/when the process attempts to access it for the first time (and, hence, a page fault occurs) – That is, OS pages-in data only via page faults (+ prefetching; see below) – Thus, a process begins execution with most pages “unmapped”, possibly not residing in physical memory (executable code included), and page faults occur until its pages are placed in in DRAM & mapped – Also called “ lazy” loading – What’s the benefit? Reading/mapping is costly, & with demand-paging we only read what we need • Notice: on-demand allocation also works rpt – For anonymously mmap-ed / (s)brk-ed memory • Readahead prefetching (anticipatory paging) – read() does prefetching when identifying sequential access – The page fault handler does the same when doing on-demand paging • Complements demand-paging in an attempt to minimize page faults OS (234123) - virtual memory 33
אחרי fork()parentint main() { int x = 0; pid_t p = fork(); if (p == 0) { x = 1; } else { x = 2; }}sonint main() { int x = 0; pid_t p = fork(); if (p == 0) { x = 1; } else { x = 2; }}מערכות הפעלה - תרגול 210
הדפסה מתואמת למסךשימוש ב-wait() יכול לפתור את הבעיה שראינו קודם כאשר מדפיסים למסך במקביל משני תהליכים:int main() { pid_t p = fork(); if (p > 0) { // parent waits for child wait(NULL); } printf(“hello”); return 0;}מערכות הפעלה - תרגול 215
קריאות המערכת getpid(), getppid()pid_t getpid();קריאת מערכת המחזירה לתהליך הקורא את ה-pid של עצמו.pid_t getppid();קריאת מערכת המחזירה את ה-PID של תהליך האב של התהליך הקורא.שאלה: מה המשמעות של getppid() == 1 עבור תהליך משתמש טיפוסי?תשובה: תהליך האב הוא init. קורה למשל אם תהליך הבן יתום.מערכות הפעלה - תרגול 222
דוגמת FCFSaverageResponseTime = (10 + 20 + 30) / 3 = 20כעת נסיר את הנחה 1 ("כל התהליכים רצים למשך אותו זמן"). לכל תהליך זמן ריצה משלו.תוכלו לחשוב על דוגמה שבה FCFS אינו יעיל?מערכות הפעלה - תרגול 59כל התהליכים רצים למשך אותו זמן.כל התהליכים מגיעים באותו זמן (t=0).אם תהליך התחיל לרוץ, אז הוא ירוץ עד לסיומו ללא הפסקות.התהליכים משתמשים רק במעבד ולא מבצעים I/O.זמן הריצה של כל התהליכים ידוע מראש.
אפקט השיירה (convoy effect)averageResponseTime = (100 + 110 + 120) / 3 = 110אלגוריתם FCFS עלול לסבול מ"אפקט השיירה": מצב שבו תהליך אחד ארוך מעכב הרבה תהליכים קצרים. מערכות הפעלה - תרגול 510
סיכום השיעור שעבר2the CPU searches the TLBhitmissthe CPU walks the page tablecompletedpage faultphysical addressvirtual addressthe OS serves the page faultמערכות הפעלה - תרגול 10
מה נלמד היום?3the CPU searches the TLBhitmissthe CPU walks the page tablecompletedpage faultphysical addressvirtual addresskill the process or the entire systemfix the page table and retrythe OS serves the page faultinvalidvalidמערכות הפעלה - תרגול 10
הרשאות של אזור זיכרוןהדגלים המציינים את הרשאות האזור נשמרים בשדה vm_flags והם מאפשרים לגרעין לסווג גישות חוקיות ולא חוקיות לדפים באזור.VM_READ, VM_WRITE, VM_EXEC – האם מותר לקרוא/לכתוב/לבצע נתונים בדפים באזור.VM_MAYREAD, VM_MAYWRITE, VM_MAYEXEC – "הרשאת הרשאה" לכל אחת מההרשאות הנ"ל.לדוגמה VM_MAYWRITE קובע האם מותר להדליק את VM_WRITE.הדגלים האלה קשורים לקריאת המערכת mprotect() – מעבר לחומר הקורס.VM_SHARED – האם צריך לשתף דפים באזור זה עם תהליכי בן.VM_LOCKED – אסור לפנות את הדפים באזור מהזיכרון לדיסק.17מערכות הפעלה - תרגול 10
מרחבי זיכרון וקריאות מערכתחוטים הנוצרים ע"י קריאת המערכתclone() משתפים את מרחב הזיכרון ע"י הצבעה לאותו מתאר מרחב הזיכרון של תהליך האב.יש להגדיל את מונה השיתוף (mm_users) של מתאר מרחב הזיכרון של תהליך האב.קריאת המערכת execv() ודומותיה טוענות תהליך חדש ולכן הן משחררות את מרחב הזיכרון ומקצות אחד חדש.קריאת המערכתfork() מקצה לתהליך הבן מרחב זיכרון משלו.במקרה שכזה צריך להעתיק את מרחב הזיכרון של האב לזה של הבן.בפועל, בדרך-כלל אין באמת העתקה בזכות מנגנון copy-on-write.23מערכות הפעלה - תרגול 10
הפתרון: copy-on-write (COW)הרעיון של מנגנון copy-on-write (COW) הוא:דפים הניתנים לכתיבה שאינם יכולים להיות משותפים (לדוגמה, המחסנית), מוגדרים בתחילה כמשותפים אבל מועתקים לעותק פרטי כאשר אחד התהליכים השותפים (האב או הבן) מנסה לכתוב אליהם לראשונה.שאר הדפים (כדוגמת דפי קוד או דפי נתונים לקריאה בלבד) הופכים למשותפים בין מרחבי הזיכרון של האב והבן.מנגנון COW פותר את שתי הבעיות שהוצגו קודם:COW מקטין את זמן הביצוע של fork() כי הוא "פורס לתשלומים" את ההעתקה של כל מרחב הזיכרון להרבה העתקות קטנות בגודל דף שיתבצעו בעתיד---בכל כתיבה ראשונה לדף שאינו משותף.במידה ותהליך הבן יבצע מיד execv(), מרחב הזיכרון שלו יימחק וכך תיחסך רוב פעולת ההעתקה.27מערכות הפעלה - תרגול 10
father processpage tablememory regionsדוגמה: לפני קריאת מערכת fork()28…PTE #11r/w = 1…frame #250count == 1מערכות הפעלה - תרגול 10region #1VM_MAYWRITE=1VM_WRITE=1region #2
COW: טיפול ב-page faultתרחיש הטיפול: האב או הבן מנסים לכתוב לדף מוגן ע"י COW.המעבד ניגש לסיביות הבקרה ב-PTE של הדף, ומגלה כי r/w כבוי.המעבד יוצר חריגת דף (page fault).הגרעין מטפל בחריגה, ובודק שהדף שייך לאחד מאזורי הזיכרון ושהגישה בכלל חוקית (דגל VM_WRITE דלוק במתאר האזור).הגרעין בודק את ערך המונה השיתוף של המסגרת:אם count > 1, מקצים מסגרת חדשה, מעתיקים אליה את המסגרת המקורית, ומצביעים את הדף למסגרת החדשה.במסגרת הישנה מבוצע count-- .במסגרת החדשה מוצב count = 1 .בעותק החדש מאופשרת הכתיבה.אחרת (count == 1), הגרעין פשוט מאפשר כתיבה בדף ע"י הדלקת הדגל r/w.37מערכות הפעלה - תרגול 10
חריגת דף (page fault)החומרה מתריעה באמצעות חריגת דף על:גישה לדף שאינו נמצא בזיכרון, כלומר הביט present==0 בכניסה המתאימה בטבלת הדפים.גישה לא חוקית (שלא לפי ההרשאות בטבלת הדפים) לדף שנמצא בזיכרון, למשל ניסיון כתיבה לדף שמותר לקריאה בלבד.חריגת דף מפעילה את שגרת הטיפול הממומשת בפונקציית הגרעין do_page_fault().בסיום הטיפול בחריגה מבוצעת מחדש ההוראה שגרמה לה.אלא אם כן, כמובן, הטיפול בחריגה הורג את התהליך.43מערכות הפעלה - תרגול 10
The exam text, the skills it tests, and the exact slides are already in context.