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

Reminder: x86 paging Need to translate from: virtual addresses to: physical addresses Translation is cached on-chip TLB (Translation Lookaside Buffer) Page table is read & modified by HW (Access/dirty bit) Each process has its own virtual address space Page table pointed to by CR3 register During context switch the OS updates the value of CR3. Page table is a hierarchical structure OS – virtualization 23

טבלת הדפים (page table)לכל תהליך יש טבלת דפים משלו – מבנה נתונים אשר ממפה בין דפים למסגרות.ניתן לממש טבלת דפים באמצעות מבני נתונים שונים: מערך פשוט, עצים, טבלאות גיבוב (hash tables), ...עבור כל דף במרחב הזיכרון הווירטואלי של התהליך, יש כניסה בטבלת הדפים אשר מציינת:האם הדף נמצא בזיכרון ובאיזו מסגרת?האם הדף נמצא בדיסק ובאיזה מיקום?האם הדף מעולם לא הוקצה? (כלומר איננו בזיכרון ואיננו בדיסק)טבלת הדפים אחראית לתפקידים נוספים כמו הגנת גישה.למשל: טבלת הדפים מסמנת דפים לקריאה בלבד ומונעת גישות כתיבה.19מערכות הפעלה - תרגול 10

סיכום: תהליך התרגום במעבדי אינטל39the CPU searches the TLBhitmissthe CPU walks the page tablecompletedpage faultphysical addressvirtual addressthe OS serves the page faultמערכות הפעלה - תרגול 10

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

father processpage tablememory regionsדוגמה: אחרי קריאת מערכת fork()30…PTE #11r/w = 0…son processpage tablememory regions…PTE #11r/w = 0…מערכות הפעלה - תרגול 10frame #250count == 2region #1VM_MAYWRITE=1VM_WRITE=1region #2region #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