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Swapping und Paging

Unter Swapping versteht man das Aus- bzw. Einlagern eines kompletten Prozesses.

Swapping kommt nur bei Betriebssystemen zum Einsatz, die keine virtuelle Speicherverwaltung unterstützen!

eine Alternative  zur virtuellen Speicherverwaltung mit Hilfe der MMU, ist das Paging, welches flexibler als Swapping agiert.

Unter Paging versteht man das Ein- bzw. Auslagern von Teilen eines Prozesses.

  • Eine Seite enthält einen bestimmten Teil eines Prozesses.
  • Die Gesamtheit aller Seiten eines Prozesses repräsentiert somit den kompletten Prozess.
  • Eine (virtuelle) Seite kann einerseits in einem (physikalischen) Seitenrahmen eingelagert sein.
    • befindet sich die Seite im RAM und der zugehörige Prozess kann auf die Befehle Daten innerhalb der Seite zugreifen.
    • Zum Einsatz kommt hier die Adressumrechnung mit Hilfe von MMU und Seitentabelle.
  • Andererseits kann eine (virtuelle) Seite auf einen Hintergrundspeicher (wie beispielsweise die Festplatte) ausgelagert sein.
    • so steht die Seite nicht im RAM zur Verfügung, Zugriff des Prozesses auf Befehle schlägt fehl ->Page fault  
    • ausgelagerte Seite muss vom Hintergrundspeicher in Seitenrahmen eingelagert werden.
    • Anschließend kann die Adressumrechnung mit Hilfe von MMU und Seitentabelle.
Beim Paging werden virtuelle Seiten in (physikalische) Seitenrahmen eingelagert, oder andersrum

Page Fault

Page fault tritt auf, falls die MMU bei der Umrechnung einer virtuellen in eine physische Adresse feststellt, dass die benötigte (virtuelle) Seite nicht in einem (physischen) Seitenrahmen eingelagert ist.

Seitenersetzung

Tritt  Seitenfehler auf, lagert BS virtuelle Seite aus Hintergrundspeicher in freien Seitenrahmen des physikalischen Speichers 

  • Entscheidend ist bei der Einlagerung, ob es einen freien Seitenrahmen gibt
  • Falls ja: dieser für die Einlagerung der benötigten Seite genutzt werden 
  • Falls nein: Seitenersetzung entscheidet, welche momentan eingelagerte virtuelle Seite in HS verschoben wird 
Was bei der Seitenersetzung passiert
  1. Die MMU stellt fest, dass virtuelle Seite B nicht in Seitenrahmen eingelagert ist und löst einen Seitenfehler aus.
  2. Es wird festgestellt, dass kein freier Seitenrahmen verfügbar ist, das Seitenersetzungsverfahren wird deshalb gestartet.
  3. Die zu ersetzende Seite E wird bestimmt, sie ist derzeit in Seitenrahmen X eingelagert.
  4. Die zu ersetzende Seite E wird in den Hintergrundspeicher geschrieben,. damit ist ihr Inhalt gesichert
  5. Die benötigte Seite B wird eingelagert, ihr Inhalt wird in den Seitenrahmen X geschrieben

Schreiben der zu ersetzenden Seite E in den Hintergrundspeicher kostet viel Zeit! Das ist schlecht für das Gesamtsystem.

→  sinnvoll, eine zu ersetzende Seite nur dann in den Hintergrundspeicher zu kopieren, wenn dies auch tatsächlich notwendig ist.

Das Modifiziert-Bit

→ BS kann mit dem M-Bit feststellen, ob die Inhalte einer eingelagerten Seite modifiziert und zum auslagern bereit sind 

image-1663053416157.png

  • Das M-Bit ist gesetzt, also 1:
    Der Inhalt der zugehörigen Seite wurde modifiziert.
  • Das M-Bit ist nicht gesetzt, also 0:
    Der Inhalt der zugehörigen Seite wurde nicht modifiziert.

Seitenersetzungsverfahren → Paging

Die optimale Seitenersetzung kann nicht programmiert werden.

No Recently Used→ Welche Seite wurde in der Vergangenheit am längsten nicht genutzt?

Für jede einzelne Seite wird mit Hilfe eines einzelnen Bits festgehalten, ob die betreffende Seite referenziert wurde.

Seitentabelle-RM.JPG

  • Das R-Bit ist gesetzt, also 1:
    Inhalt der Seite wurde referenziert, es wird verwendet.
  • Das R-Bit ist nicht gesetzt, also 0:
    Inhalt der Seite wurde nicht referenziert, es wird nicht verwendet.
First-In-First-Out

→ Die Seiten, die zuerst im RAM gespeichert wurden, werden als erstes überschrieben.
In der Praxis hat dieses Verfahren keine  Bedeutung, da die ausgelagerte Seite oft benötigt wird → hohen Zahl an Seitenfehlern

Working Set

bei vielen nacheinander auf der CPU ausgeführten Befehlen werden nur wenig verschiedene virtuelle Seiten angesprochen
→ versucht, alle zum Working Set eines Prozesses gehörenden Seiten ständig im Hauptspeicher zu halten

Second Chance

image-1662456507649.pnger prüft, ob diese Seite in der letzten Zeit auch angesprochen wurde.

  • Falls nein: sie wird ersetzt
  • Falls ja: wird mit der am zweitlängsten eingelagerten Seite fortgefahren.
  • Auch hier wird zunächst geprüft, ob Seite in der letzten Zeit angesprochen wurde.
  • Usw.
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