Tiểu luận môn ktmt hđh đề tài quản lý bộ nhớ trong hệ điều hành windows

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ──────── * ──────── BÀI TẬP TIỂU LUẬN MÔN: KTMT & HĐH ĐỀ TÀI: QUẢN LÝ BỘ NHỚ TRONG HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS Giáo viên hướng dẫn: Nhóm: Tên lớp: Hà Nội, năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ──────── * ──────── BÀI TẬP TIỂU LUẬN MÔN: KTMT & HĐH ĐỀ TÀI: QUẢN LÝ BỘ NHỚ TRONG HỆ ĐIỀU HÀNH WINDOWS Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Tên lớp: Hà Nội, năm 2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP & CÁC KHÁI NIỆM 1.1 Dẫn nhập 1.2 Các khái niệm CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG WINDOWS QUẢN LÝ BỘ LOGIC THEO CẤU TRÚC PHÂN TRANG (PAGING) 2.1 Physical Storage .8 2.2 Virtual Address Space Hình II.1 11 2.3 Phân trang .11 Hình II.2 12 Hình II.3 12 Hình II.4 13 2.3 Window Page Table Management 13 2.4 Window Memory Protection 15 2.5 Cấu trúc đa bảng trang 16 Hình II.5 17 CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ BỘ NHỚ ẢO (BỘ NHỚ LOGIC) .18 3.1 Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) 18 Hình III.1 18 3.2 Page Faults .19 3.2.1 Page Faults gì? 19 Hình III.2 20 3.2.2 Lý gây Page Faults 20 3.2.3 Các loại Page Faults khắc phục 21 3.3 Kỹ thuật Copy-On-Write 22 Hình III.3 23 PHẦN KẾT LUẬN 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO .25 LỜI NÓI ĐẦU Bộ nhớ tài nguyên quan trọng thứ hai sau CPU hệ thống máy tính Bộ nhớ bao gồm byte từ đánh địa Đây chỗ chứa tiến trình liệu tiến trình Việc quản lí sử dụng nhớ hợp lí ảnh hưởng tới tốc độ khả tồn hệ thống tính tốn Do quản lí nhớ chức quan trọng HĐH Các cơng việc liên quan tới quản lí nhớ bao gồm quản lí nhớ trống, cấp phát nhớ trống cho tiến trình giải phóng nhớ cấp phát, ngăn chặn việc truy xuất trái phép tới vùng nhớ, ánh xạ địa logic địa vật lí Trong tập lớn này, tìm hiểu Quản lý nhớ hệ điều hành Windows Trong tiến trình nghiên cứu đề tài, chúng em tham khảo nhiều tài liệu nhiều tác giả khác Nhân đây, chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy tác giả nói Mặc dù cẩn thận, nghiêm túc tính tốn cách trình bày chắn tài liệu khơng tránh khỏi thiếu sót định Rất mong nhận ý kiến đóng góp người để hồn thiện cách tốt CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP & KHÁI NIỆM 1.1 Dẫn nhập Chúng ta thấy CPU dùng chung nhiều tiến trình Do kết định thời CPU, cải tiến hiệu suất CPU lẫn tốc độ đáp ứng người dùng Để thực việc làm tăng hiệu phải lưu giữ vài tiến trình nhớ; tức phải dùng nhớ dùng chung Bộ nhớ trung tâm họat động hệ thống máy tính đại Bộ nhớ gồm dãy lớn words byte, mà có địa riêng chúng  Quản lý nhớ công việc hệ điều hành với hỗ trợ phần cứng nhằm phân phối, xếp tiến trình nhớ cho hiệu  Mục tiêu cần đạt nạp nhiều tiến trình vào nhớ tốt (gia tăng mức độ đa chương)  Trong hầu hết hệ thống, Kernel chiếm mốt phần cố định nhớ, phần cịn lại phân phối cho tiến trình 1.2 Các khái niệm  Địa luận lý, hay gọi địa ảo (Virtual Address): tất địa xử lý tạo Tập hợp tất địa luận lý tạo nên không gian địa luận lý  Địa vật lý, hay gọi địa thực: địa thực tế mà trình quản lý nhớ nhìn thấy thao tác Tập hợp tất địa vật lý tạo nên không gian địa vật lý  Paging & Page File: Paging kỹ thuật sử dụng hệ thống nhớ ảo để đảm bảo liệu cần tồn (available) nhanh tốt Hệ điều hành copy (sao chép) số trang định từ thiết bị lưu trữ vào nhớ Khi chương trình cần trang mà không tồn nhớ chính, hệ điều hành copy trang cần thiết vào nhớ copy trang khác vào lại ổ đĩa Page File file ổ cứng, Windows sử dụng làm nhớ ảo để lưu trữ chương trình liệu, nhớ vật lý (RAM) không đủ chỗ chứa CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG WINDOWS QUẢN LÝ BỘ LOGIC THEO CẤU TRÚC PHÂN TRANG (PAGING) 2.1 Physical Storage Mức tối đa dung lượng nhớ vật lý hệ thống Windows hỗ trợ khoảng từ 2GB -> 2TB, tùy thuộc vào phiên Windows Phiên Hệ 32 bit Hệ 64 bit Windows 2000 Professional GB X Windows XP GB 128 GB 128 GB TB X TB GB 192 GB Windows Server 2003 SP2 Datacenter Edition Windows Server 2008 R2 Datacenter Windows Ultimate Bảng so sánh giới hạn nhớ vật lý phiên khác HĐH Windows (X: Không hỗ trợ) Không gian địa ảo tiến trình nhỏ lớn tổng dung lượng nhớ vật lý máy tính Tập hợp không gian địa ảo tiến trình cư trú nhớ vật lý gọi “working set” (mơ hình Tập làm việc) 2.2 Virtual Address Space Mỗi tiến trình người dùng tảng Windows 32-bit cấp phát không gian địa ảo (Virtual Address Space) Gigabytes Còn tảng Windows 64-bit, tiến trình người dùng cấp phát không gian địa ảo lên tới Terabytes.Tất tiểu trình tiến trình truy cập vào vùng địa ảo nó, nhiên tiểu trình lại truy cập vào vùng địa ảo thuộc tiến trình khác Khơng gian địa ảo tiến trình tập hợp tất địa nhớ ảo mà sử dụng.Các không gian nhớ ảo thiết lập riêng tư (private), tiến trình khác khơng sử dụng đến chưa chia sẻ Windows hệ thống 32 bit x86 systems truy xuất (access) Gigabytes nhớ vật lý Do thực tế bus address vi xử lý (tiến trìnhor) 32 lines hay 32 bits truy xuất vùng addr từ 0x00000000 đến 0xFFFFFFFF tức có 4GB Gigabytes chia làm hai phần:  0->2 GB dưới: chứa liệu lệnh riêng tiến trình Vùng hoạt động chế độ user-mode, người dùng thao tác vùng 2GB  2->4 GB trên: chứa thành phần liệu thuộc hệ điều hành, chia sẻ chung cho tiến trình, hoạt động chế độ kernelmode, vùng hệ điều hành quản lý, người dùng tác động vào vùng (khơng thể đọc ghi được) Hình II.1: Không gian địa ảo cấp phát cho tiến trình Windows làm cấp phát vùng addr 4GB cho nhiều tiến trình tổng nhớ truy xuất bị giới hạn 4GB? Để đạt điều này, Windows dùng đặc tính x86 tiến trình (386 trở lên) biết đến “phân trang” (paging) Paging cho phép phần mềm sử dụng địa nhớ (được biết đến logical address: địa luận lý) khác với địa nhớ vật lý (physical memory address) Paging tiến trình chuyển đổi logical address thành physical address cách dễ dàng Điều cho phép tiến trình system có vùng addr logical 4GB Để hiểu điều chi tiết hơn, hảy bắt đầu tìm hiểu cách paging mơi trường làm việc x86 Tiến trình mục 10 2.3 Phân trang Trong xử lý x86 vùng địa vật lý (physical address space) chia thành trang có kích thước 4KB Vì để đánh địa 4GB nhớ, cần Megabyte (1024x1024) trang (pages) có kích thước 4KB Bộ vi xử lý dùng lớp cấu trúc để tham chiếu đến Mega pages Chúng ta nghĩ ma trận chiều kích thước 1024x1024 phần tử Chiều thứ biết đến Page Directory chiều thứ biết Page Table Vì cần cài đặt Page Directory với 1024 thành phần, thành phần point (trỏ đến) đến Page Table Điều cho phép có 1024 Table Mỗi Page Table lại có 1024 thành phần, thành phần lại trỏ đến trang 4KB Hình II.2: Paging in x86 Tiến trìnhor Mỗi thành phần Page Directory Entry (PDE) có kích thước bytes trỏ đến Page Table Tương tự, Page Table Entry (PTE) có kthước bytes trỏ đến physical address (địa vật lý) trang 4KB Để chứa 1024 PDE mà thành phần lại chứa 1024 PTE, cần tổng nhớ 4x1024x1024 bytes, có nghĩa 4MB Vì chia tòan 4GB vùng addr cho trang 4KB, cần 4MB vùng nhớ 11 Hình II.3: Address Translation hệ thống phân trang Không gian địa ảo Windows quản lý theo kiểu phân trang, kích thước trang 4kB = byte; 4GB = * 4kB => nhớ ảo chứa trang ảo Mỗi trang ảo nằm trạng thái:  Free: trang chưa dùng để chứa liệu sử dụng tiểu trình tiến trình chứa nó, trang Free không đưa vào RAM Tham chiếu đến trang free gây lỗi (Page Fault), lỗi không xử lý  Committed: trang ánh xạ liệu, nằm RAM vùng Paging File (Paging file vùng nhớ tổ chức RAM, cho cảm giác RAM mở rộng dùng để chứa nội dung trang bị đẩy từ RAM) Khi CPU gọi đến trang Committed trang vùng Paging File xuất Page Fault, trang đẩy vào RAM để hoạt động Cịn trang RAM khơng xuất Page Fault 12  Reserved: trang chưa có nhớ vật lý, đặt trước để chứa liệu code Khi CPU gọi đến trang xuất Page Fault Trang xử lý để chuyển sang trạng thái committed Ví dụ: Khi tiểu trình sinh ra, cần trang committed thời điểm đặt trước đến 1MB trang reserved liên tiếp cạnh trang committed, để tiểu trình sử dụng sau Hình vẽ sau mơ tả mối quan hệ trạng thái trang: Hình II.4: Chuyển đổi trạng thái trang ảo hàm API 2.4 Windows Page Table Management Trong Windows, tiến trình có Page Directory Page Table Vì Windows cấp 4MB vùng nhớ cho tiến trình Khi tiến trình cài đặt, thành phần Page Directory chứa physical address (địa vật lý) Page Table Các thành phần Page Table valid (hợp lệ) , invalid (không hợp lệ) Các thành phần valid chứa physical address 4KB page cấp cho tiến trình Một thành phần invalid (khơng hợp lệ) chứa vài bits đặc biệt đánh dấu khơng hợp lệ thành phần biết Invalid PTEs 13 (Page Table Entry) Khi memory cấp cho tiến trình, thành phần Page Table lắp địa vật lý pages cấp Ở tiến trình khơng biết điều địa vật lý sử dụng địa luận lý mà Chi tiết việc địa luận lý tương ứng với địa vật lý quản lý chuyển đổi Windows Memory Manager Tiến trình (bộ vi xử lý) Địa Page Directory tiến trình định vị nhớ vật lý tham chiếu đến Page Directory Base address Page Directory Base address chứa ghi đặc biệt CPU CR3 (trên x86) Để chuyển đổi ngữ cảnh khác, Windows tải giá trị CR3 để trỏ đến Page Directory base tiến trình Với cách tiến trình lấy phần phân chia 4GB không gian địa vật lý Tất nhiên, tổng dung lượng nhớ cấp thời điểm cho tất tiến trình hệ thống khơng thể vượt q số lượng RAM + kích thước pagefile theo lược đồ thảo luận cho phép Windows cấp cho tiến trình vùng địa logic (hay Virtual: ảo) 4GB Chúng ta gọi vùng địa ảo (Virtual Address space) tiến trình có đến phạm vi 4GB address, sử dụng nhớ cấp cho Nếu tiến trình thử truy xuất (access) địa khơng cấp phép, gây vi phạm truy xuất PTE tương ứng với địa trỏ đến giá trị ko hợp lệ (invalid value) Cũng vậy, tiến trình ko thể cấp nhớ nhiều phép hệ thống Phương thức tách riêng nhớ logic từ nhớ vật lý có nhiều thuận lợi Một tiến trình có vùng địa 4GB tuyến tính, lập trình viên ứng dụng ko cịn phải lo lắng đoạn hồn tồn không giống ngày tháng cũ làm việc với DOS Nó cho phép Windows chạy nhiều tiến trình lúc cho phép chúng dung nhớ vật lý máy tính mà khơng phải lo lắng chúng đè 14 lên vùng không gian địa tiến trình khác Một địa logic tiến trình khơng trỏ đến nhớ vật lý cấp cho tiến trình khác (trừ chúng sử dụng phần để chia sẻ nhớ) Vì vậy, tiến trình khơng đọc hay ghi vào nhớ tiến trình khác Sự chuyển đổi từ logical address (địa luận lý) sang physical address (địa vật lý) thực vi xử lý Một địa logic 32 bit chia thành phần hình đây: 10 bits 10 bits 12 bits Vi xử lý tải địa vật lý page directory lưu trữ CR3 Rồi sử dụng 10 bits thấp từ địa logic mục Page directory Tạo cho tiến trình page directory entry (PDE) trỏ đến Page Table 10 bits sử dụng mục Page Table Sử dụng 10 bits này, lấy page table entry (hay PTE) trỏ đến trang vật lý 4KB 12 bits thấp sử dụng đánh địa bytes riêng lẻ trang 2.5 Windows Memory Protection Windows hổ trợ bảo vệ nhớ cho tất tiến trình mục đích để tiến trình khơng thể truy xuất vùng nhớ tiến trình khác Điều đảm bảo họat động nhiều tiến trình lúc cách trôi chảy Windows đảm bảo chế độ bảo vệ cách theo bước sau:  Chỉ đặt địa vật lý nhớ định vị PTE cho tiến trình Điều đảm bảo tiến trình bắt vi phạm truy cập thử truy xuất địa mà khơng định vị  Một rouge process (tiến trình thực thi) cố gắng thay đổi page tables để truy xuất nhớ vật lý thuộc 15 tiến trình khác, điều dẫn đến lỗi trang.Windows bảo vệ khỏi loại công chế cất giữ page tables kernel address space 2.6 Cấu trúc đa bảng trang Windows sử dụng hai cấp bảng trang: bảng trang cấp (PT1-page table 1) bảng trang cấp (PT2-page table 2) để quản lý nhớ nhằm tránh việc quản lý tất bảng trang nhớ lúc, bảng trang kích thước trang ảo 4KB Mỗi tiến trình có bảng trang cấp 1, 1024 bảng trang cấp Bảng trang cấp quản lý địa vật lý bảng trang cấp Bảng trang cấp có 1024 mục mục byte (hay 32 bit), quản lý địa vật lý 1024 bảng trang cấp Trong mục, 20 bits đầu dùng chứa địa vật lý bảng trang cấp 2nếu bảng trang cấp nạp vào RAM; 12 bit cuối chứa thuộc tính bảng trang đó, bit Present/Absent trang RAM, ngược lại gán giá trị Trong trường hợp bảng trang cấp chưa nạp vào RAM 20 bit đầu chứa tồn 0, bit Present/Absent Bảng trang cấp quản lý địa vật lý trang ảo Bảng trang cấp có 1024 mục, mục byte (hay 32 bit), quản lý địa 1024 trang ảo Như bảng trang cấp quản lý địa vật lý 4MB trang ảo Cấu tạo mục PT2 tương tự mục PT1 Tức 20 bits đầu dùng chứa địa vật lý trang ảo 12 bits lại lưu trữ số thuộc tính bảo vệ; bit Present/Absent trang RAM, ngược lại 16 Hình II.5: Cấu trúc đa bảng trang 17 CHƯƠNG III: QUẢN LÝ BỘ NHỚ ẢO (BỘ NHỚ LOGIC) 3.1 Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) Bộ nhớ ảo (Virtual Memory): kỹ thuật cho phép xử lý tiến trình khơng nạp tồn vào nhớ vật lý Bộ nhớ ảo mơ hình hóa nhớ bảng lưu trữ lớn đồng nhất, tách biệt hẳn khái niệm không gian địa ảo (virtual address space) không gian vật lý (physical space) Một điểm lợi quan trọng chế chương trình chạy lớn hợn nhớ vật lý Ngồi ra, nhớ ảo phóng đại nhớ thành nhớ luận lý cực lớn hiển thị người dùng Kỹ thuật giải phóng người lập trình từ việc quan tâm đến giới hạn kích thước nhớ Bộ nhớ ảo cho phép tiến trình dễ dàng chia sẻ tập tin không gian địa chỉ, cung cấp chế hữu cho tiến trình Hình III.1: Minh họa nhớ ảo lớn nhớ vật lý 18 3.2 Page Faults 3.2.1 Page Faults gì? Page faults vấn đề loại phần mềm nay, phần hệ thống phần cứng, chương trình truy cập đến trang ánh xạ không gian địa ảo chưa lưu vào nhớ vật lý MMU vi xử lí phần cứng đóng vai trò phát trường hợp xảy Page Faults Hệ điều hành xử lý Page Faults cách:  Tạo trang yêu cầu dễ dàng hiểu chúng đặt nơi địa vật lí  Loại bỏ chương trình trường hợp chúng có biểu truy xuất không hợp lệ Trái ngược với tên gọi Page Faults, khơng phải loại lỗi thường xun cần thiết để gia tăng số lượng nhớ sẵn có để cung cấp cho chương trình hệ điều hình có sử dụng nhớ ảo, bao gồm Microsoft Windows, Mac OS X, Linux, *BSD, Solaris, AIX, and HP-UX z/OS Một điều đáng lưu ý Microsoft dùng thuật ngữ Hard Fault để định nghĩa Page Fault 19 Hình III.2: Một “Blue Screen” xuất xảy Page Fault Windows XP 3.2.2 Lý gây Page Faults  Một lỗi trang xảy xử lý truy cập tới địa mà trang tương ứng với địa khơng đánh dấu MMU (đơn vị quản lý nhớ) nạp nhớ Các lỗi phần cứng lỗi phát sinh trường hợp phụ thuộc vào kiến trúc tập lệnh xử lý Với số tập lệnh kiến trúc, lỗi phần cứng câu hỏi tạo điều kiện khác truy cập vào địa trang khơng tải vào nhớ, điều có nghĩa xử lý cho lỗi phần cứng phải tìm xem có tương ứng với trang lỗi hay khơng 20  Một khái niệm có liên quan với Page Fault gọi Protection Fault tạo để truy cập trang mà trang tương ứng với địa yêu cầu đánh dấu đơn vị quản lý nhớ nạp nhớ, không đánh dấu cho phép hoạt động mà vi xử lý thực Ví dụ, trang đánh dấu không cho phép lưu trữ, trường hợp cố gắng để lưu trữ vào trang tạo lỗi bảo vệ, đánh dấu không cho phép thực thi mã, trường hợp cố gắng để lấy hướng dẫn từ trang tạo lỗi bảo vệ Một lần nữa, lỗi phần cứng lỗi phát sinh trường hợp phụ thuộc vào tập lệnh xử lý Các thuật ngữ "Page fault" "Protection Fault" sử dụng thấy cách hệ điều hành xử lý lỗi, không thiết phải tên dành cho lỗi phần cứng xảy Ví dụ, kiến trúc x86, truy cập vào trang mà khơng trình bày truy cập vào trang bảo vệ báo cáo thông qua lỗi phần cứng gọi lỗi "trang ", phần cứng xử lý cung cấp thông tin cho xử lý lỗi trang cho biết loại truy cập kích hoạt lỗi, mà cách xử lý hệ điều hành phân biệt Việc sử dụng lỗi bảo vệ không nên nhầm lẫn với trường hợp ngoại lệ lỗi x86 nói chung bảo vệ, sử dụng để vi phạm tín hiệu nhớ truy cập dựa phân khúc 3.2.3 Các loại Page Faults khắc phục Như biết, phần liệu thực thi chương trình lưu trữ nhớ vật lý RAM Phần lại tổ chức lưu trữ dạng swap file (trong phiên Windows 95/98/ME với tên Win386.swp) hay page file (trong Windows 2000/XP/Vista/Seven với tên pagefile.sys) Có nhiều tình gây “lỗi trang”, ta xét tình mà hệ thống xử lý được: 21 Truy nhập đến trang reserved, tức trang đặt trước mà chưa đưa vào RAM Khi Page Fault xảy ra, trang reserved xử lý để thành trang committed (tức ánh xạ trang vào RAM) Page Fault xảy kỹ thuật copy-on-write (sẽ nói đây) Khi xảy lỗi trang, cần phải mang trang vắng mặt vào nhớ Nếu khơng có khung trang trống, hệ điều hành cần thực công việc thay trang – nghĩa chọn trong nhớ mà không sử dụng thời điểm chuyển khơng gian swapping đĩa để giải phóng khung trang dành chỗ nạp trang cần truy xuất vào nhớ 3.3 Kỹ thuật Copy-on-Write Windows cho phép nhiều tiến trình khác chia sẻ physical page RAM để tiết kiệm nhớ Các trang dùng chung cho phép tiến trình dùng thay đổi nội dung khơng, vào thuộc tính bảo vệ trang chia sẻ Trong trường hợp thuộc tính bảo vệ khơng cho phép tiến trình chỉnh sửa trang để tránh việc tiến trình thay đổi nội dung trang làm ảnh hưởng đến tiến trình khác, Windows sử dụng kỹ thuật copy-on-write với nguyên lý sau: “Tất tiến trình ánh xạ đến trang dùng chung tiến trình làm thay đổi nội dung trang Khi đó, Page Fault xảy báo cho hệ thống xử lý tình sau: tiến trình làm trang thay đổi copy trang dùng chung vùng nhớ riêng thao tác vùng nhớ đó, tiến trình cịn lại sử dụng trang nhớ cũ.” 22 Hình III.3: Minh họa kỹ thuật Copy-On-Write 23 PHẦN KẾT LUẬN Sau nghiên cứu đề tài: “Quản lý nhớ hệ điều hành Windows” chúng em có rút số kết luận sau:  Báo cáo khái niệm quản lí nhớ trong, hệ điều hành Windows quản lý logic cấu trúc phân trang quản lý nhớ ảo Điều cho thấy nguyên lý quản lý nhớ hệ điều hành Windows hiệu  Bài báo cáo trình bày cách hệ thống nội dung quản lý nhớ hệ điều hành Windows để hiểu nắm bắt kiến thức  Khai thác số nội dung quản lý nhớ với hệ điều hành Windows Bài báo cáo chúng em xin phép kết thúc Tuy nhiên nên có lỗi sai viết báo cáo chưa đầy đủ mong thầy bạn xem xét, đánh giá, lỗi sai để chúng em khắc phục làm báo cáo sau cách hồn thiện Chúng em xin chân thành cám ơn! 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Hệ Điều Hành - Ts Vũ Đức Lung - Trường ĐH CNTT - ĐHQG HCM [2] Bài giảng nguyên lý Hệ Điều Hành - Khoa CNTT trường ĐH Bách Khoa Hà Nội [3] Bài giảng Hệ Điều Hành - Khoa CNTT trường ĐH Công Nghiệp - TP.HCM [4] Microsoft - http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa366525(VS.85).aspx [5] Windows Memory Management by Pankaj Garg [6] Inside Windows 2000 by David A.Solomon & Mark E.Russinovich [7] Operating Systems by Jerry Breecher 25