các phần tử bảng trang một trường mới, tạm gọi là trường LRU, trường này ghi nhận thời điểm trang tương ứng được truy xuất gần đây nhất. Và thêm vào cấu trúc của CPU một bộ đếm (Counter). Mỗi khi có sự truy xuất bộ nhớ thì Counter tăng lên một đơn vị. Mỗi khi một trang trên bộ nhớ được truy xuất thì giá trị của Counter sẽ được ghi vào trường LRU tại phần tử trong bảng trang tương ứng với trang này. Như vậy trang được chọn để thay thế là trang có LRU là nhỏ nhất. Sử dụng Stack: trong cách này hệ điều hành sử dụng một Stack để lưu trữ số hiệu của các trang đã được nạp vào bộ nhớ chính. Khi một trang được truy xuất thì số hiệu của trang này sẽ được xóa khỏi Stack tại vị trí hiện tại và được đưa lên lại đỉnh Stack. Như vậy trang có số hiệu nằm ở đỉnh stack là trang được sử dụng gần đây nhất, trang có số hiệu nằm ở đáy stack là trang lâu nay ít được sử dụng nhất. Và trang được chọn để thay thế là các trang có số hiệu nằm ở đáy stack. Thuật toán Optinal (tối ưu) Theo thuật toán này thì trang được hệ điều hành chọn để thay thế là trang sẽ lâu được sử dụng nhất trong tương lai. Bảng sau đây minh hoạ cho việc chọn trang để swap out và thay thế của thuật toán Optinal: 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2 Frame 1 2 2 2 2 2 2 4 4 4 2 2 2 Frame 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Frame 3 1 1 5 5 5 5 5 5 5 5 F F F Theo bảng trên thì trong trường hợp này chỉ xảy ra 3 lỗi trang, khi hệ điều hành cần nạp trang 5 vào bộ nhớ thì nó phải đưa trang 1 ra ngoài để lấy frame3 nạp trang 5, vì hệ điều hành cho rằng trang 1 là trang sẽ lâu được s ử dụng trong t ương lai. Mặc dầu thuật toán này ít xảy ra lỗi trang hơn, nhưng trong thực tế khó có thể cài đặt được vì hệ điều hành khó có thể đoán trước được khi nào thì một trang được truy xuất trở lại. Thuật toán này không chiu tác động của nghịch lý Belady. Chú ý: Các tài liệu về hệ điều hành đã đưa ra rất nhiều thuật toán thay trang, nhưng chúng tôi không trình bày ở đây, các bạn có thể tìm đọc ở tài liệu tham khảo [1] và [2]. III.15. Cấp phát khung trang Với kỹ thuật bộ nhớ ảo phân trang thì hệ điều hành không cần và cũng không thể mang tất cả các page của một tiến trình nạp vào bộ nhớ chính để chuẩn bị thực Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m hiện. Vì vậy hệ điều hành cần phải quyết định nạp bao nhiêu page, bao nhiêu tiến trình vào bộ nhớ. Hay chính xác hơn là nạp bao nhiêu tiến trình và mỗi tiến trình được nạp bao nhiêu page vào bộ nhớ (được cấp bao nhiêu khung trang). Hệ điều hành có thể quyết định vấn đề này theo các chọn lựa sau đây: Chỉ có một lượng nhỏ, có thể là tối thiểu, các page của tiến trình được nạp vào bộ nhớ. Như vậy hệ điều hành sẽ nạp được nhiều tiến trình vào bộ nhớ tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này làm tăng khả năng đa chương của hệ điều hành và khả năng tìm thấy một tiến trình Ready của hệ điều hành là rất lớn nhờ vậy mà hiệu quả điều phối của hệ điều hành tăng lên. Nhưng trong trường hợp này hệ điều hành phải luôn chú ý đến việc nạp thêm các page của tiến trình vào bộ nhớ và hệ điều hành khó có thể xác định được số lượng khung trang tối thiểu mà mỗi tiến trình cần khi khởi tạo. Nếu có một lượng vừa phải các page của một tiến trình trong bộ nhớ chính thì có ít hơn số tiến trình được nạp vào bộ nhớ. Như vậy sự đa chương sẽ giảm xuống nhưng tốc độ thực hiện của tiến trình có thể được cải thiện vì khi một chỉ thị của các page trong bộ nhớ chính cần truy xuất đến một page khác thì nhiều khả năng page này đã có trên bộ nhớ chính. Nhưng lý thuyết hệ điều hành đã chứng minh được rằng trong trường hợp này tỉ lệ xảy ra lỗi trang là rất lớn. Nếu có một lượng lớn các page của một tiến trình trong bộ nhớ chính, thì sự đa chương sẽ giảm xuống đáng kể. Nhưng lý thuyết hệ điều hành đã chứng minh được rằng trong trường hợp này tỉ lệ xảy ra lỗi trang là rất thấp. Mặt khác điều này có thể gây lãng phí bộ nhớ vì có thể có các page của một tiến trình rất ít được sử dụng khi nó ở trên bộ nhớ chính. Theo trên thì mỗi chọn lựa đều có những điểm thuận lợi và những điểm chưa thuận lợi riêng, do đó tùy trường hợp cụ thể mà hệ điều hành thực hiện cấp phát khung trang cho tiến trình theo một chọn lựa nào đó, để đảm bảo có nhiều tiến trình được nạp vào bộ nhớ chính, nhưng khả năng và tỉ lệ lỗi trang là thấp nhất và sự lãng phí bộ nhớ là thấp nhất. Để đáp ứng điều này các hệ điều hành thường thực hiện việc cấp phát khung trang cho các tiến trình theo hai chính sách: Cấp phát tĩnh và Cấp phát động Chính sách cấp phát tĩnh (fixed – allocation): Với chính sách này hệ điều hành sẽ cấp cho mỗi tiến trình một số lượng khung trang cố định, để nạp đủ các page của tiến trình vào bộ nhớ để nó có thể hoạt động được. Số lượng khung trang này được quyết định tại thời điểm khởi tạo/tạo tiến trình. Hệ điều hành cũng có thể quyết định số lượng khung trang tối thiểu cho tiến trình dựa vào loại của tiến trình, đó là tiến trình tương tác, tiến trình xử lý theo lô hay tiến trình theo hướng ứng dụng. Với cấp phát tĩnh, khi có lỗi trang xảy ra trong quá trình thực hiện tiến trình thì hệ điều hành phải swap out một page của tiến trình đó để thực hiện việc xử lý lỗi trang. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Chính sách cấp phát động (variable - allocation): Với chính sách này hệ điều hành chỉ cấp một lượng vừa đủ khung trang, để nạp đủ các trang cần thiết nhất của tiến trình, để tiến trình có thể khởi tạo và hoạt động được, sau đó tuỳ theo yêu cầu của tiến trình mà hệ điều hành có thể cấp phát thêm khung trang cho nó, để nạp thêm các trang cần thiết khác. Hệ điều hành thường cấp thêm khung trang cho tiến trình khi tiến trình bị rơi vào tình trạng lỗi trang, với các tiến trình có tầng suất xảy ra lỗi trang lớn thì hệ điều hành phải cung cấp một lượng khung trang lớn, một cách vượt bật, đủ để tiến trình thoát ra khỏi lỗi trang và nguy cơ lỗi trang tiếp theo là thấp nhất. III.16. Một số vấn đề về quản lý bộ nhớ của Windows 2000 III.8.1. Nhiệm vụ quản lý bộ nhớ của Windows 2000 Thành phần quản lý bộ nhớ của Windows 2000 thực hiện hai nhiệm vụ chính sau đây: Chuyển đổi, hay ánh xạ, không gian địa chỉ ảo của một tiến trình vào bộ nhớ vật lý để khi một tiểu trình thực thi trong một ngữ cảnh của tiến trình đó, đọc hay ghi vào không gian địa chỉ ảo thì địa chỉ vật lý chính xác sẽ được tham chiếu. Phân trang một vài nội dung bộ nhớ ra đĩa (swap out) khi nó trở nên vượt quá sự đáp ứng bộ nhớ của hệ thống. Có nghĩa là, khi việc thực thi các tiểu trình hay mã hệ thống cố gắng sử dụng nhiều bộ nhớ vật lý hơn khả năng hiện thời – và mang nội dụng trở lại vào bộ nhớ vật lý (swap in) khi cần. Hệ điều hành Windows 2000 Professional và Server hỗ trợ lên đến 4GB bộ nhớ vật lý, Windows 2000 Advanced Server thì hỗ trợ lên đến 8 GB, và Windows 2000 Datacenter Server thì lên đến 64 GB. Thực tế bộ nhớ lớn nhất cho Windows 2000 Datacenter Server phụ thuộc vào khả năng phần cứng. Bởi vì Windows 2000 là một hệ điều hành 32-bit, nên các tiến trình người sử dụng có một không gian địa chỉ ảo 32-bit, 4GB bộ nhớ phẳng. Ngoài việc cung cấp sự quản lý bộ nhớ ảo, trình quản lý bộ nhớ cung cấp một tập lõi các dịch vụ mà trong đó các hệ thống con môi trường Windows 2000 khác nhau được xây dựng. Các dịch vụ này bao gồm các tập tin ánh xạ bộ nhớ, bộ nhớ copy-on-write, và hỗ trợ cho các ứng dụng sử dụng các không gian địa chỉ lớn, không liên tiếp. Cũng như tất cả các thành phần của windows 2000 executive, trình quản lý bộ nhớ hỗ trợ sự thực thi đồng thời trên các hệ thống đa xử lý. Nó cho phép hai tiểu trình thu được các tài nguyên theo cách mà sau này chúng không làm cho hỏng dữ liệu của mỗi tiến trình khác. Để đạt được mục tiêu này, trình quản lý bộ nhớ sử dụng một vài cơ chế đồng bộ nội tại khác nhau để điều khiển sự truy xuất vào các cấu trúc dữ liệu nội tại của riêng nó. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m III.8.2. Các dịch vụ trình quản lý bộ nhớ cung cấp Trình quản lý bộ nhớ cung cấp một tập các dịch vụ hệ thống để định vị và giải phóng bộ nhớ ảo, chia sẻ bộ nhớ giữa các tiến trình, ánh xạ các tập tin vào bộ nhớ, flush các trang ảo vào đĩa, truy lục thông tin về một vùng các trang ảo, thay đổi sự bảo vệ của các trang ảo, và khoá các trang ảo vào bộ nhớ. Trình quản lý bộ nhớ cũng cung cấp một lượng các dịch vụ, như định vị và bỏ định vị bộ nhớ vật lý và khoá các trang trong bộ nhớ vật lý cho các trao đổi truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMA), đến các thành phần chế độ kernel khác bên trong Executive cũng như các device driver. Các hàm này bắt đầu với tiền tố Mm. Ngoài ra, mặc dù không hoàn toàn là một phần của trình quản lý bộ nhớ, Executive hỗ trợ các thường trình bắt đầu với Ex mà nó được sử dụng để định vị và bỏ định vị từ các heap hệ thống (vùng phân trang và không phân trang) cũng như để vận dụng các danh sách look-aside. Sau đây chúng ta sẽ xem xét một vài trong nhiều dịch vụ mà trình quản lý bộ nhớ của Windows 2000 cung cấp: Bảo vệ bộ nhớ Windows 2000 cung cấp sự quản lý bộ nhớ để không một tiến trình người sử dụng nào, có thể không cố ý hay cố ý, làm hỏng không gian địa chỉ của các tiến trình khác hoặc của chính hệ điều hành. Windows 2000 cung cấp sự bảo vệ này theo bốn cách chính sau đây: Thứ nhất, tất cả các cấu trúc dữ liệu và các vùng bộ nhớ được sử dụng bởi các thành phần hệ thống kernel-mode chỉ thể được truy xuất trong kernel-mode. Các tiểu trình user-mode không thể truy xuất các page này. Nếu các tiểu trình này cố gắng thực hiện sự truy xuất này thì phần cứng phát sinh một lỗi, và trình quản lý bộ nhớ sẽ gởi thông báo vi phạm truy xuất đến cho tiểu trình. Thứ hai, mỗi tiến trình có một không gian địa chỉ riêng, tách biệt, được bảo vệ khỏi bị truy xuất bởi bất kỳ tiểu trình nào thuộc một tiến trình khác. Chỉ các ngoại lệ là nếu một tiến trình đang chia sẻ các trang với các tiến trình khác hay nếu một tiến trình khác có truy xuất đọc hay ghi bộ nhớ ảo vào đối tượng tiến trình và do đó có thể sử dụng các hàm ReadProcessMemory hay WriteProcessMemory. Mỗi khi một tiểu trình tham chiếu một địa chỉ, phần cứng bộ nhớ ảo, phối hợp với trình quản lý bộ nhớ, can thiệp và chuyển đổi địa chỉ ảo thành một địa chỉ vật lý. Bằng cách điều khiển các địa chỉ ảo được chuyển đổi, Windows 2000 có thể đảm bảo các tiểu trình đang thực thi trong một tiến trình không truy xuất bất hợp lệ một trang thuộc một tiến trình khác. Thứ ba, ngoài các cung cấp sự bảo vệ mặc nhiên cho việc chuyển đổi địa chỉ ảo thành đại chỉ vật lý, tất cả các processor được hỗ trợ bởi Windows 2000 cung cấp một số hình thức bảo vệ bộ nhớ được điều khiển bởi phần cứng (như đọc/ghi; chỉ đọc, …); chi tiết chính xác của sự bảo vệ như vậy thay đổi theo Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m processor. Ví dụ, các page mã trong không gian địa chỉ của một tiến trình được đánh dấu chỉ đọc và do đó được bảo vệ khỏi sự sửa đổi bởi các tiểu trình người sử dụng. Các page mã cho các tiến trình điều khiển thiết bị cũng được đánh dấu chỉ đọc như vậy. Và cuối cùng, các section object bộ nhớ chia sẻ có các danh sách điều khiển truy xuất Windows 2000 chuẩn, mà nó được kiểm tra khi các tiến trình cố gắng mở chúng, do đó việc giới hạn truy xuất của bộ nhớ chia sẻ đến các tiến trình này với các quyền thích hợp. Bảo mật cũng thừa hưởng cách hoạt động khi một tiểu trình tạo một section để chứa một tập tin ánh xạ. Để tạo một section, tiểu trình phải có ít nhất truy xuất đọc đến đối tượng tập tin cơ sở hay thao tác sẽ lỗi. Copy-On-Write Sự bảo vệ các trang copy-on-write là một sự tối ưu trong việc quản lý bộ nhớ của Windows 2000. Để thấy được ý nghĩa của việc sử dụng các trang copy-on-write chúng ta hãy xem ví dụ sau đây: Có hai tiến trình đang chia sẻ ba trang (page1, page2, page3), mỗi trang được đánh dấu là copy-on-write, nhưng cả hai tiến trình đều không sửa đổi bất kỳ dữ liệu nào trên các trang. Hình 3.20.a: “Trước” copy-on-write Nếu một tiểu trình của một trong hai tiến trình này ghi vào một trang, một lỗi quản lý bộ nhớ được phát sinh. Trình quản lý bộ nhớ xem việc ghi đó là vào trang copy-on-write, nên thay vì báo lỗi như một vi phạm truy xuất, thì nó định vị một trang read/write mới trong bộ nhớ vật lý, sau đó sao chép nội dung của trang ban đầu vào trang mới, cập nhật thông tin bảng trang tương ứng của tiến trình này để trỏ đến một vị trí mới, và thao tác ghi ở trên sẽ được hệ thống chuyển hướng để thực hiện ở trang mới này. Lần này, thao tác ghi hoàn thành, nhưng như trình bày trong hình sau, trang được sao chép mới bây giờ là sở hữa của tiến trình thực hiện ghi và không thấy được từ các tiến trình khác, vẫn đang chia sẻ trang copy-on- write. Mỗi tiến trình mới ghi vào cùng trang được chia sẻ này cũng sẽ nhận bản sao riêng của nó. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . cho tiến trình dựa vào loại của tiến trình, đó là tiến trình tương tác, tiến trình xử lý theo lô hay tiến trình theo hướng ứng dụng. Với cấp phát tĩnh, khi có lỗi trang xảy ra trong quá trình. xử lý. Nó cho phép hai tiểu trình thu được các tài nguyên theo cách mà sau này chúng không làm cho hỏng dữ liệu của mỗi tiến trình khác. Để đạt được mục tiêu này, trình quản lý bộ nhớ sử dụng. xuất trong kernel-mode. Các tiểu trình user-mode không thể truy xuất các page này. Nếu các tiểu trình này cố gắng thực hiện sự truy xuất này thì phần cứng phát sinh một lỗi, và trình quản lý