Bài giảng Hệ điều hành - Chương 7, Phần 1: Quản lý bộ nhớ

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 7 – Quản lý bộ nhớ (1)
14/03/2017
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Câu hỏi ôn tập chương 6
Nêu điều kiện để thực hiện giải thuật Banker?
Nêu các bước của giải thuật Banker?
Nêu các bước của giải thuật yêu cầu tài nguyên?
Nêu các bước giải thuật phát hiện deadlock?
Khi deadlock xảy ra, hệ điều hành làm gì để phục 
hồi?
Dựa trên yếu tổ nào để chấm dứt quá trình bị 
deadlock??
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 2
Câu hỏi ôn tập chương 6 (tt)
 Cho 1 hệ thống có 4 tiến trình P1 đến P4 và 3 loại tài nguyên 
R1 (3), R2 (2) R3 (2). P1 giữ 1 R1 và yêu cầu 1 R2; P2 giữ 2 
R2 và yêu cầu 1 R1 và 1 R3; P3 giữ 1 R1 và yêu cầu 1 R2; 
P4 giữ 2 R3 và yêu cầu 1 R1
 Vẽ đồ thị tài nguyên cho hệ thống này?
 Deadlock?
 Chuỗi an toàn? (nếu có)
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 3
Câu hỏi ôn tập chương 6 (tt)
 Tìm Need?
 Hệ thống có an toàn không?
 Nếu P1 yêu cầu (0,4,2,0) thì có thể cấp phát cho nó ngay không?
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 4
Mục tiêu chương 7-1
 Hiểu được các khái niệm cơ sở về bộ nhớ
 Hiểu được các kiểu địa chỉ nhớ và cách chuyển đổi giữa 
các kiểu này
 Hiểu được các cơ chế và mô hình quản lý bộ nhớ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 5
Nội dung chương 7-1
 Khái niệm cơ sở
 Các kiểu địa chỉ nhớ
 Chuyển đổi địa chỉ nhớ
 Overlay và swapping
 Mô hình quản lý bộ nhớ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 6
Khái niệm cơ sở
Chương  trình phải được mang vào trong bộ nhớ và đặt nó trong 
một tiến trình để được xử lý
Input Queue  – Một tập hợp của những tiến trình trên đĩa mà đang 
chờ để được mang vào trong bộ nhớ để thực thi.
User programs  trải qua nhiều bước trước khi được xử lý.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 7
Khái niệm cơ sở (tt)
Qu ản lý bộ nhớ là công việc của hệ điều hành với sự hỗ trợ của 
phần cứng nhằm phân phối, sắp xếp các process trong bộ nhớ sao 
cho hiệu quả.
 Mục tiêu cần đạt được là nạp càng nhiều process vào bộ nhớ càng 
tốt (gia tăng mức độ đa chương)
Trong  hầu hết các hệ thống, kernel sẽ chiếm một phần cố định của 
bộ nhớ; phần còn lại phân phối cho các process.
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 8
Khái niệm cơ sở (tt)
 Các yêu cầu đối với việc quản lý bộ nhớ
 Cấp phát bộ nhớ cho các process
 Tái định vị (relocation): khi swapping,
 Bảo vệ: phải kiểm tra truy xuất bộ nhớ có hợp lệ không
Chia sẻ: cho phép các process chia sẻ vùng nhớ chung
 Kết gán địa chỉ nhớ luận lý của user vào địa chỉ thực
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 9
Cấu trúc dữ liệu cho giải thuật Banker
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 10
 Địa chỉ vật lý (physical address) (địa chỉ thực) là một vị trí thực 
trong bộ nhớ chính
 Địa chỉ luận lý (logical address) là một vị trí nhớ được diễn tả
trong một chương trình (còn gọi là địa chỉ ảo virtual address).
 Các trình biên dịch (compiler) tạo ra mã lệnh chương trình mà
trong đó mọi tham chiếu bộ nhớ đều là địa chỉ luận lý
 Địa chỉ tương đối (relative address) (địa chỉ khả tái định vị, 
relocatable address) là một kiểu địa chỉ luận lý trong đó các địa 
chỉ được biểu diễn tương đối so với một vị trí xác định nào đó
trong chương trình.
Ví dụ: 12 byte so với vị trí bắt đầu chương trình,
 Địa chỉ tuyệt đối (absolute address): địa chỉ tương đương với 
địa chỉ thực.
Nạp chương trình vào bộ nhớ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 11
 Bộ linker: kết hợp các object module thành một file nhị
phân khả thực thi gọi là load module.
 Bộ loader: nạp load module vào bộ nhớ chính
Cơ chế thực hiện linking
11/2/2017 12Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Module A
CALL B
Return
length L
Module B
CALL C
Return
length M
Module C
Return
length N
0
L 1
Module A
JMP “L”
Return
Module B
JMP “L+M”
Return
Module C
Return
L
L M 1
L M
L M N 1
relocatable
object modules
load module
0
L 1
0
M 1
0
N 1
➢ Các bước nạp chương trình vào bộ nhớ
ABBOTT.OBJ
...
MOVE R1, (idunno)
CALL whosonfirst
...
COSTELLO.OBJ
...
...
whosonfirst:
...
ABBOTT.C
int idunno;
...
whosonfirst(idunno);
...
COSTELLO.C
...
int whosonfirst (int x)
{
...
}
Compiler
Loader/ 
locator
Compiler
Linker
“SOURCE
CODE”
“OBJECT
CODE”
Memory
HAHAHA.EXE
...
MOVE R1, 22388
CALL 21547
...
...
MOVE R1, R5
...
(value of idunno))
21547
22388
HAHAHA.EXE
...
MOVE R1, 2388
CALL 1547
...
...
MOVE R1, R5
...
(value of idunno)
1547
2388
Khi mỗi file được biên 
dịch, các địa chỉ chưa 
biết, vì thế các cờ
được dùng để đánh 
dấu
Trình linker kết nối 
các files, vì thế nó có 
thể thay thế các chỗ
đánh dấu với địa chỉ
thật
Phải xác định địa 
chỉ bộ nhớ bắt đầu 
để thực thi
Chuyển đổi địa chỉ
Chuyển đổi địa chỉ:  quá trình ánh xạ một địa chỉ từ không gian địa 
chỉ này sang không gian địa chỉ khác.
Biểu diễn địa chỉ nhớ
Trong source code: symbolic (các biến, hằng, pointer, )
Trong thời điểm biên dịch: thường là địa chỉ khả tái định vị 
Ví dụ: a ở vị trí 12 byte so với vị trí bắt đầu module
Thời điểm liking/loading: có thể là địa chỉ thực. 
Ví dụ: dữ liệu nằm tại địa chỉ bộ nhớ thực 2030
11/2/2017 14Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
0
250
2000
2250
relocatable address
physical memory
symbolic address
int i;
goto p1;
p1
Chuyển đổi địa chỉ (tt)
Địa chỉ lệnh và dữ liệu được chuyển đổi thành địa chỉ thực có thể 
xảy ra tại ba thời điểm khác nhau.
Compile time: nếu biết trước địa chỉ bộ nhớ của chương trình thì có 
thể kết gán địa chỉ tuyệt đối lúc biên dịch
Ví dụ: chương trình .COM của MS-DOS
Khuyết điểm: phải biên dịch lại nếu thay đổi địa chỉ nạp chương 
trình
Load time: vào thời điểm loading, loader phải chuyển đổi địa chỉ 
khả tái định vị thành địa chỉ thực dựa trên một địa chỉ nền
Địa chỉ thực được tính toán vào thời điểm nạp chương trình 
=> phải tiến hành reload nếu địa chỉ nền thay đổi
11/2/2017 15Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Sinh địa chỉ tuyệt đối vào thời điểm dịch
11/2/2017 16Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Symbolic
addresses
PROGRAM
JUMP i
LOAD j
DATA
i
j
Source code
Absolute
addresses
1024
JUMP 1424
LOAD 2224
1424
2224
Absolute load module
Compile Link/Load
Physical memory 
addresses
1024
JUMP 1424
LOAD 2224
1424
2224
Process image 
Sinh địa chỉ tuyệt đối vào thời điểm nạp
11/2/2017 17Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Relative 
(relocatable)
addresses
0
JUMP 400
LOAD 1200
400
1200
Relative
load module
Symbolic
addresses
PROGRAM
JUMP i
LOAD j
DATA
Source code
Compile Link/Load
Physical memory 
addresses
1024
JUMP 1424
LOAD 2224
1424
2224
Process image 
Chuyển đổi địa chỉ (tt)
 Excution time: khi trong quá trình thực 
thi, process có thể được di chuyển từ 
segment này sang segment khác trong 
bộ nhớ thì quá trình chuyển đổi địa chỉ 
được trì hoãn đến thời điểm thực thi
Cần sự hỗ trợ của phần cứng cho 
việc ánh xạ địa chỉ
Ví dụ: Trường hợp địa chỉ luận 
lý là relocatable thì có thể dùng 
thanh ghi base và limit,..
Sử dụng trong đa số các OS đa dụng 
trong đó có các cơ chế swapping, 
paging, segmentation
11/2/2017 18Copyrights 2017 CE-UIT . All Rights Reserved.
Relative (relocatable)
addresses
0
JUMP 400
LOAD 1200
400
1200
MAX = 2000
Dynamic linking
Qu á trình link đến một module ngoài (external module) được thực 
hiện sau khi đã tạo xong load module (i.e. file có thể thực thi, 
executable)
 Ví dụ trong Windows: module ngoài là các file .DLL còn trong 
Unix, các module ngoài là các file .so (shared library)
Load module  chứa các stub tham chiếu (refer) đến routine của 
external module.
 Lúc thực thi, khi stub được thực thi lần đầu (do process gọi routine 
lần đầu), stub nạp routine vào bộ nhớ, tự thay thế bằng địa chỉ của 
routine và routine được thực thi.
 Các lần gọi routine sau sẽ xảy ra bình thường
Stub  cần sự hỗ trợ của OS (như kiểm tra xem routine đã được nạp 
vào bộ nhớ chưa).
11/2/2017 19Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Ưu điểm của dynamic linking
 Thông thường, external module là một thư viện cung cấp các
tiện ích của OS. Các chương trình thực thi có thể dùng các
phiên bản khác nhau của external module mà không cần sửa
đổi, biên dịch lại.
Chia sẻ mã (code sharing): một external module chỉ cần nạp
vào bộ nhớ một lần. Các process cần dùng external module
này thì cùng chia sẻ đoạn mã của external module ⇒ tiết
kiệm không gian nhớ và đĩa.
Phương pháp dynamic linking cần sự hỗ trợ của OS trong
việc kiểm tra xem một thủ tục nào đó có thể được chia sẻ
giữa các process hay là phần mã của riêng một process (bởi
vì chỉ có OS mới có quyền thực hiện việc kiểm tra này).
11/2/2017 20Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Dynamic loading
Cơ chế: chỉ khi nào cần được gọi đến thì một thủ tục mới được nạp vào
bộ nhớ chính ⇒ tăng độ hiệu dụng của bộ nhớ bởi vì các thủ tục không
được gọi đến sẽ không chiếm chỗ trong bộ nhớ
 Rất hiệu quả trong trường hợp tồn tại khối lượng lớn mã chương trình
có tần suất sử dụng thấp, không được sử dụng thường xuyên (ví dụ các
thủ tục xử lý lỗi)
 Hỗ trợ từ hệ điều hành
Thông thường, user chịu trách nhiệm thiết kế và hiện thực các
chương trình có dynamic loading.
 Hệ điều hành chủ yếu cung cấp một số thủ tục thư viện hỗ trợ, tạo
điều kiện dễ dàng hơn cho lập trình viên.
11/2/2017 21Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cơ chế phủ lắp (overlay)
 Tại mỗi thời điểm, chỉ giữ lại trong bộ nhớ những lệnh
hoặc dữ liệu cần thiết, giải phóng các lệnh/dữ liệu chưa
hoặc không cần dùng đến.
Cơ chế này rất hữu dụng khi kích thước một process lớn
hơn không gian bộ nhớ cấp cho process đó.
Cơ chế này được điều khiển bởi người sử dụng (thông
qua sự hỗ trợ của các thư viện lập trình) chứ không cần
sự hỗ trợ của hệ điều hành
11/2/2017 22Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cơ chế phủ lắp (tt)
11/2/2017 23Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Pass 1 70K
Pass 2 80K
Symbol table 20K
Common routines 30K
Assembler
Total memory 
available = 150KB
symbol
table
20K
common
routines
30K
overlay
driver
10K
pass 1 pass 2
80K70K
Đơn vị: byte
nạp và thực thi
Cơ chế hoán vị (swapping)
 Một process có thể tạm thời bị swap ra khỏi bộ nhớ chính và lưu trên
một hệ thống lưu trữ phụ. Sau đó, process có thể được nạp lại vào bộ
nhớ để tiếp tục quá trình thực thi.
Swapping policy: hai ví dụ
Round -robin: swap out P1 (vừa tiêu thụ hết quantum của nó), swap
in P2 , thực thi P3 ,
Roll out, roll in: dùng trong cơ chế định thời theo độ ưu tiên
(priority-based scheduling)
Process có độ ưu tiên thấp hơn sẽ bị swap out nhường chỗ cho
process có độ ưu tiên cao hơn mới đến được nạp vào bộ nhớ để
thực thi
Hi ện nay, ít hệ thống sử dụng cơ chế swapping trên
11/2/2017 24Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Minh họa cơ chế hoán vị
11/2/2017 25Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Mô hình quản lý bộ nhớ
Trong chương này, mô hình quản lý bộ nhớ là một mô hình đơn giản,
không có bộ nhớ ảo.
 Một process phải được nạp hoàn toàn vào bộ nhớ thì mới được thực thi
(ngoại trừ khi sử dụng cơ chế overlay).
 Các cơ chế quản lý bộ nhớ sau đây rất ít (hầu như không còn) được
dùng trong các hệ thống hiện đại
Phân chia cố định (fixed partitioning)
Phân chia động (dynamic partitioning)
Phân trang đơn giản (simple paging)
Phân đoạn đơn giản (simple segmentation)
11/2/2017 26Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Mô hình quản lý bộ nhớ (tt)
11/2/2017 27Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Phân mảnh (fragmentation)
Phân mảnh ngoại (external fragmentation)
 Kích thước không gian nhớ còn trống đủ để thỏa mãn một yêu cầu
cấp phát, tuy nhiên không gian nhớ này không liên tục ⇒ có thể
dùng cơ chế kết khối (compaction) để gom lại thành vùng nhớ liên
tục.
Phân mảnh nội (internal fragmentation)
 Kích thước vùng nhớ được cấp phát có thể hơi lớn hơn vùng nhớ
yêu cầu.
Ví dụ: cấp một khoảng trống 18,464 bytes cho một process yêu
cầu 18,462 bytes.
Hi ện tượng phân mảnh nội thường xảy ra khi bộ nhớ thực được chia
thành các khối kích thước cố định (fixed-sized block) và các process
được cấp phát theo đơn vị khối. Ví dụ: cơ chế phân trang (paging).
11/2/2017 28Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Phân mảnh nội
11/2/2017 29Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
operating
system
(used)
Yêu cầu kế tiếp là 
18,462 bytes !!!
hole kích thước
18,464 bytes Cần quản lý khoảng 
trống 2 bytes !?!
OS sẽ cấp phát hẳn khối18,464 bytes cho process 
 dư ra 2 bytes không dùng!
Fixed partitioning
Khi khởi động hệ thống, bộ nhớ chính được
chia thành nhiều phần rời nhau gọi là các
partition có kích thước bằng nhau hoặc khác
nhau
Process nào có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng
kích thước partition thì có thể được nạp vào
partition đó.
 Nếu chương trình có kích thước lớn hơn
partition thì phải dùng cơ chế overlay.
Nh ận xét
Không hiệu quả do bị phân mảnh nội: một
chương trình dù lớn hay nhỏ đều được cấp
phát trọn một partition.
11/2/2017 30Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Chiến lược placement
Partition có kích thước bằng nhau
 Nếu còn partition trống ⇒ process mới sẽ
được nạp vào partition đó
 Nếu không còn partition trống, nhưng trong
đó có process đang bị blocked ⇒ swap
process đó ra bộ nhớ phụ nhường chỗ cho
process mới.
Partition có kích thước không bằng nhau: giải
pháp 1
 Gán mỗi process vào partition nhỏ nhất phù
hợp với nó
 Có hàng đợi cho mỗi partition
Gi ảm thiểu phân mảnh nội
 Vấn đề: có thể có một số hàng đợi trống
không (vì không có process với kích thước
tương ứng) và hàng đợi dày đặc
11/2/2017 31Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Chiến lược placement (tt)
Partition có kích thước không bằng
nhau: giải pháp 2
Ch ỉ có một hàng đợi chung cho
mọi partition
Khi cần nạp một process vào bộ
nhớ chính ⇒ chọn partition nhỏ
nhất còn trống
11/2/2017 32Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Dynamic partitioning
 Số lượng partition không cố định và partition có thể có kích
thước khác nhau
 Mỗi process được cấp phát chính xác dung lượng bộ nhớ cần
thiết
Gây ra hiện tượng phân mảnh ngoại
11/2/2017 33Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Chiến lược placement
 Dùng để quyết định cấp phát khối bộ
nhớ trống nào cho một process
 Mục tiêu: giảm chi phí compaction
 Các chiến lược placement
Best -fit: chọn khối nhớ trống
nhỏ nhất
First -fit: chọn khối nhớ trống
phù hợp đầu tiên kể từ đầu bộ
nhớ
Next -fit: chọn khối nhớ trống
phù hợp đầu tiên kể từ vị trí cấp
phát cuối cùng
Worst -fit: chọn khối nhớ trống
lớn nhất
11/2/2017 34Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Tóm tắt lại nội dung buổi học
Khái niệm cơ sở
Các kiểu địa chỉ nhớ
Chuyển đổi địa chỉ nhớ
Overlay và swapping
Mô hình quản lý bộ nhớ
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 35
Bài tập 1
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 36
Giả sử bộ nhớ chính được cấp phát các phân vùng có kích 
thước là 600K, 500K, 200K, 300K (theo thứ tự), sau khi 
thực thi xong, các tiến trình có kích thước 212K, 417K, 
112K, 426K (theo thứ tự) sẽ được cấp phát bộ nhớ như thế 
nào, nếu sử dụng: Thuật toán First fit, Best fit, Next fit, 
Worst fit? Thuật toán nào cho phép sử dụng bộ nhớ hiệu 
quả nhất trong trường hợp trên
Bài tập 2
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 37