Virtual Memory

1
Virtual Memory
2
Pembahasan

• Overview
• Demand Paging

3
Overview

• Konsep manajemen memori sebelumnya
• Me-maintain banyak proses yang running dalam
  memori secara multiprogramming
• Proses berada dalam memori fisik sebelum
  dieksekusi
• Dalam overlaying user harus men-dekomposisi
  struktur program dalam algoritmanya dan
  menspesifikasi modul-modul overlaynya

4
Overview

• Isi program
• Algoritma utama yang aktif mengolah data
• Penanganan kondisi error (exceptional condition)
  yang amat jarang terjadi
• Struktur data dynamic allocated yang terpakai
  secara efektif
• Struktur data fixed allocated yang biasanya hanya
  sebagian yang digunakan
• Modul-modul tertentu yang jarang digunakan

5
Overview

• Keuntungan jika tidak semua bagian tersebut ada
  di memori (hanya bagian yang paling aktif)
• Program tidak terkendalakan oleh jumlah memori
  fisik program bisa amat besar
• Program-program pengendali error (error handling)
  jarang digunakan.
• Array, list atau tabel yang dialokasikan melebihi
  kapasitas yang digunakan.
• Program-program yang dijalankan belakangan.
• Lebih banyak program yang dapat running secara
  konkuren di memori utilisasi CPU meningkat
• Lebih sedikit I/O untuk loading/swapping
  program user lebih cepat

6
Overview

• Konsep Virtual Memory
• Melihat memori sebagai cache dan disk sebagai
  memori
• Implementasi dengan demand paging bagian
  program berada dalam memori adalah page-page yang
  sesuai dengan kebutuhan
• Dapat diimplementasikan melalui
• Demand paging
• Demand segmentation (page segmentasi)

7
Diagram Virtual Memory lebih besar dari Physical
Memory
8
Demand Paging

• Sama dengan teknik paging dengan swapping
• Proses berada dalam secondary storage (biasanya
  disk) yang terbagi dalam sejumlah page
• Untuk dapat dieksekusi maka page proses yang
  diperlukan harus ada di memori
• Jika belum ada maka page di-swap in (dalam hal
  ini swapper lebih tepat disebut pager,
  swap-in/out menjadi page-in/out)

9
Demand Paging Virtual Memory - Physical Memory
Ada, lalu akses
Swap page
Apakah page di memori ?
Demand page
Tidak ada, maka page di load
10
Demand Paging

• Pertanyaan saat page-in
• Page mana yang akan di page-out ?
• Apakah frame yang akan ditempati kosong ?
• Jika suatu page yang di page-out merupakan data,
  perlu / tidak page di storage di-refresh ?

11
Demand Paging

• Periksa tabel internal (biasanya pada PCB
  process control block) apakah referensi
  valid/invalid
• Bila valid tapi belum ada maka di page-in
• Jika invalid, maka batalkan proses

12
Transfer of a Paged Memory to Contiguous Disk
Space
13
Dukungan Hardware

• Page table tabel memiliki valid/invalid bit
  serta bit proteksi khusus
• Secondary memory memori yang menyimpan seluruh
  page (biasanya disk)
• Dikenal sebagai swap device dan bagian disk yang
  digunakan untuk swap disebut swap space (backing
  store)

14
Valid-Invalid Bit

• Masing-masing entry page table memiliki nilai
• (1 ? in-memory, 0 ? not-in-memory)
• Inisialisasi validinvalid bit di-set 0 untuk
  semua entry page table
• Contoh page table
• Selama translasi address, jika validinvalid bit
  dalam page table adalah 0 ? page fault.

15
Page Table When Some Pages Are Not in Main Memory
16
Dukungan Software

• Kendala arsitektur kemampuan me-restart
  instruksi setelah terjadi page-fault
• Page fault bisa terjadi pada
• Memory (data) reference
• Instruction fetch

17
Contoh

• Instruksi 3 address ADD C, A, B dilakukan dalam
  beberapa tahap
• Fetch instruksi ADD
• Fetch data A ke dalam register Ra
• Fetch data B ke dalam register Rb
• Add Ra dan Rb dan hasilnya di register Rc
• Store hasil Rc ke C
• Page fault terjadi pada salah satu tahap
  memerlukan pengulangan dari awal

18
Steps in Handling a Page Fault
19
Apa yang terjadi jika tidak ada frame yang kosong
?

• Page replacement temukan page dalam memori,
  tetapi tidak sedang digunakan, swap-out page
  tersebut
• Algoritma yang digunakan
• Performance algoritma yang digunakan adalah
  yang menghasilkan jumlah minimum page fault

20
Performance Demand Paging

• Rasio Page Fault 0 ? p ? 1.0
• if p 0 no page faults
• if p 1, every reference is a fault
• Effective Access Time (EAT)
• EAT (1 p) x memory access time
• p (page fault overhead
• swap page out
• swap page in
• restart overhead)

21
Contoh Demand Paging

• Memory access time 1 microsecond (1 ?sec)
• 50 dari waktu page yang digantikan (replace),
  membutuhkan swap-out
• Swap Page Time 10 msec 10,000 ?sec
• EAT (1 p) x 1 p (15000)
• 1 15000p (dalam ?sec)
• 5000 ?sec ? overhead

22
Page Replacement Policy

• Performance (page fault ratio) bergantung pada
  page replace policy agar page fault rate (PFR)
  sekecil mungkin.
• Jadi pemilihan policy untuk page replacement
  sangat kritis terhadap performance sistem
  keseluruhan.

23
Swap Space

• Aspek penting dalam demand paging adalah
  menangani penggunaan swap space (ruang disk yang
  digunakan untuk swap)
• Suatu bagian dalam disk dijadikan swap space (di
  luar sistem file) sebagai penyimpan virtual
  memory

24
Over-Allocating Memory

• Peningkatan degree of multiprogramming akan
  sampai pada situasi Over Allocating Memory
• Saat terjadi page-fault hendak page-in ternyata
  tidak ada frame kosong tersedia
• Solusi OS terminate proses user ? NO.
• Paging harus transparan bagi user.

25
Solusi

• Thrashing swap-out suatu proses (penurunan
  degree of multiprogramming)
• Page replacement mencari salah satu frame yang
  tidak sedang digunakan dan membebaskannya
• Menuliskan isi sebelumnya ke swap-space
• Mengubah page table dimana page tidak ada di
  memori

26
Kebutuhan Page Replacement Over-Allocating
Memory
27
Page Fault Service

• Menemukan lokasi dari page di dalam disk
• Menemukan free-frame, jika ada gunakan frame
  tersebut untuk page yang bersangkutan dan jika
  tidak ada
• Mencari frame yang akan di-replace
• Page-out frame tersebut ke swap-space dan ubah
  tabel page frame
• Page-in page yang diminta ke frame kosong yang
  baru, serta ubah tabel page frame
• Mulai kembali ke user proses

28
Page Replacement
29
Dirty bit (Modify-bit)

• Saat tidak ditemukan frame kosong maka dilakukan
  dua kali page transfer (in out)
• Untuk mengurangi overhead operasi ini digunakan
  dirty-bit pada setiap page/frame untuk
  menunjukkan perlu/tidaknya page dalam disk
  diupdate (telah terjadi modifikasi)
• Modify bit di-set ketika word/byte dalam page
  ditulis (write) ? page telah dimodifikasi.
• Ketika memilih page untuk di-replace, modify bit
  dibaca dulu.
• Jika bit tersebut di-set, maka page tersebut
  sudah dimodifikasi sejak dibaca di disk ? write
  page ke disk.
• Jika bit tersebut tidak di-set, maka page
  tersebut belum dimodifikasi sejak dibaca di
  memory ? jika copy dari page tersebut di disk
  belum di overwrite, tidak perlu lagi write page
  memory ke disk karena sudah ada.

30
Frame Allocation Page Replacement

• Dua masalah
• Frame allocation algorithm menentukan berapa
  banyak frame dialokasikan untuk suatu/setiap
  proses
• Page-replacement algorithm menentukan frame
  mana yang dipilih untuk di page-out
• Pemilihan algoritma yang tepat sangat penting,
  karena pemrosesan pada disk I/O costnya mahal
  (berpengaruh pada effective acces time)

31
Page Replacement

• Terdapat banyak skema/algoritma
• Kriteria pemilihan algoritma yang sesuai
  meminimisasi page-fault rate
• Evaluasi dengan string string dari
  aktifitas-aktifitas memory reference
• String dari memory reference dinamakan reference
  string
• Secara empiris direkam dari referensi yang
  terjadi pada running program
• Secara hipotesis digenerate secara acak (random
  number generator)
• Menghitung jumlah page fault pada string tersebut

32
Page Fault vs Jumlah Frame

• Bertambahnya jumlah frame akibat penambahan
  physical memory space dapat mengurangi PFR
• Tanpa penambahan tersebut maka memperkecil ukuran
  frame/page yang akhirnya meningkatkan page fault

33
Grafik Page Faults vs Jumlah Frame
34
Page Replacement Policy

• Algoritma First In First Out (FIFO)
• Algoritma Optimal (OPT)
• Algoritma Least Recently Used (LRU)
• Algoritma Second Change (Clock)
• Algoritma Enhanced Second Change (Clock)
• Algoritma Counting
• Algoritma Page Buffering

35
Reference String

• Dalam pembahasan algoritma-algoritma reference
  string disederhanakan dengan deretan page number
  (bukan address-address referensi)
• Contoh
• 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101,
  0611, dst
• Digantikan (page size 100 byte) dengan 1, 4,
  1, 6, 1, 6, dst

36
Algoritma First In First Out (FIFO)

• Page yang di-replace adalah page yang paling
  tua (paling lama berada di memory secara terus
  menerus)
• Realisasinya setiap page menyimpan data waktu
  page yang bersangkutan di-page-in atau
  menggunakan struktur queue
• Mudah di-implementasikan tapi performance tidak
  selalu baik

37
FIFO Page Replacement

• Reference string 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0
  ,1,7,0,1
• Jumlah frame 3
• Page fault terjadi 15 kali

38
Anomaly Belady

• Anomali yang terjadi PFR naik saat jumlah frame
  ditingkatkan
• Contoh, jika reference string
• 1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5
• Jumlah frame 3, PFR 9 page fault
• Jumlah frame 4, PFR 10 page fault

39
FIFO Illustrating Beladys Anamoly
40
Algoritma Optimal (OPT)

• Jika diketahui page-page mana yang berikutnya
  akan diakses, maka page yang tidak akan digunakan
  dalam waktu dekat (ie. Selang waktu terlama
  hingga diakses kembali) yang di-replace.
• Anomali Belady tidak berlaku
• Secara teoritis paling optimal tapi dalam
  kenyataannya sulit diimplementasikan

41
Optimal Page Replacement

• Reference string 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0
  ,1,7,0,1
• Jumlah frame 3
• Page fault terjadi 9 kali

• Pada referensi ke-4 terlihat page 7 akan
  di-replace dengan page 2, karena page 7 baru akan
  digunakan pada referensi ke-18, sedangkan page 0
  akan digunakan pada referensi ke-5 dan page 1
  akan digunakan pada referensi ke-14

42
Algoritma Least Recently Used (LRU)

• Algoritma LRU merupakan perpaduan antara FIFO dan
  OPT
• Mengaproksimasi Algoritma Optimal
• Perkiraan akses yang akan datang (forward
  information) diestimasi dengan menggunakan
  informasi akses yang lalu (backward information)
• Page dalam memori yang paling lama tidak diakses
  yang di-replace
• Jika SR reverse S maka PFR OPT pada S sama
  dengan PFR LRU pada SR

43
LRU Page Replacement

• Reference string 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0
  ,1,7,0,1
• Jumlah frame 3
• Page fault terjadi 12 kali

44
END OF MODUL - 10