MODOS DE DIRECCIONAMIENTO FISICO Y VIRTUAL
No tiene mucho sentido que el propio sistema operativo se ejecute sobre memoria virtual. Sería una verdadera pesadilla que el sistema operativo tuviera que mantener tablas de páginas para él mismo. La mayoría de los procesadores de propósito general ofrecen la posibilidad del modo de direccionamiento físico junto con direccionamiento virtual. El modo de direccionamiento físico no necesita las tablas de páginas y el procesador no intenta realizar ningún tipo de traduccines en este modo. El núcleo de Linux está preparado para funcionar sobre un espacio de direccionamiento físico.
CONTROL DE ACCESO
Las entradas de la tabla de páginas también contienen información relativa al control de acceso. Puesto que el procesador tiene que utilizar la información de la tabla de páginas para traducir las direcciones virtuales a direcciones físicas, puede fácilmente utilizar la información de control de acceso para comprobar que el proceso no está accediendo a memoria de forma apropiada.
Hay muchas razones por las que se puede querer restringir el acceso a determinadas áreas de memoria. Hay memoria, como la que contiene el ejecutable, que es claramente memoria de sólo lectura; el sistema operativo no ha de dejar que el proceso escriba sobre su propio código de programa. Por el contrario, páginas de memoria que contengan datos han de poder ser leídas y escritas, pero un intento de ejecutar algo de estas páginas ha de fallar. La mayoría de los procesadores tienen al menos dos modos de operación: modo núcleo y modo usuario. No es deseable que un proceso ejecute código del núcleo, o que acceda a datos del núcleo excepto cuando el procesador está funcionando en modo núcleo.
CACHES
Además de invertir esfuerzos en diseñar y frabricar procesadores, memoria y otros dispositivos más rápidos, mejor forma de obtener un buen rendimiento consiste en mantener en memoria caches de la información que se utiliza muy a menudo.
Linux emplea unas cuantas caches para la gestión de la memoria, entre las cuales tenemos:
Buffer Caché
Contiene buffers de datos que son utilizados por los manejadores de dispositivos de bloques. Estos buffers son de tamaño fijo (por ejemplo 512 bytes) y contienen bloques de información que ha sido bien leída de un dispositivo de bloques o que ha de ser escrita. Un dispositivo de bloques es un dispositivo sobre el que sólo se pueden realizar operaciones de lectura o escritura de bloques de tamaño fijo. Por ejemplo, los discos duros son dispositivos de bloque. El cache buffer está indexado vía el identificador de dispositivo y el número de bloque deseado, índice que es utilizado para una rápida localización del bloque. Los dispositivos de bloque son exclusivamente accedidos a través del buffer Cache.
Caché de Páginas
Este se utiliza para acelerar el acceso a imágenes y datos en disco. Se utiliza para guardar el contenido lógico de un fichero de página en página y se accede vía el fichero y el desplazamiento dentro del fichero. Conforme las páginas se leen en memoria, se almacenan en la page caché..
Cache de Intercambio
Solo las páginas que han sido modificadas (dirty) son guardadas en el fichero de intercambio. Mientras no vuelvan a ser modificadas después de haber sido guardadas en el fichero de swap, la próxima vez que necesiten ser descartadas (swap out) no será necesario copiarlas al fichero de intercambio pues ya están allí.
Caches Hardware
Es una caché normalmente implementada en el propio procesador; la cache de entradas de tabla de página. En este caso, el procesador no necesita siempre leer la tabla de páginas directamente, sino que guarda en esta cache las traducciones de las páginas conforme las va necesitando.
El inconveniente de utilizar memorias cache, tanto hardware como de otro tipo, es que para evitar esfuerzos Linux tiene que utilizar más tiempo y espacio para mantenerlas y, si se corrompe su contenido, el sistema dejará de funcionar.
TABLA DE PÁGINAS EN LINUX
Linux supone que hay tres niveles de tablas de páginas:
- El directorio de tablas de páginas (punteros a tablas intermedias).
- La tabla de páginas intermedia (punteros a tablas de páginas).
- Las tablas de páginas (punteros a páginas).
Cada plataforma sobre la que funciona Linux tiene que proporcionar las macros que permitan al núcleo atravesar las tablas de página de cada proceso. De esta forma, el núcleo no necesita conocer el formato de las entradas de la tabla de páginas ni cómo éstas se organizan.
Esto es tan útil que Linux utiliza el mismo código de gestión de tablas de páginas en un procesador Alpha, que tiene tres niveles de tablas de páginas, que en un Intel x86, que sólo tiene dos niveles de tablas (para ello, supone que el tamaño de la tabla intermedia es 1, y por tanto, coincide con la entrada del directorio).
ASIGNACIÓN DE PÁGINAS
Linux utiliza el algoritmo Buddy para asignar y liberar eficientemente bloques de páginas. El código de asignación intenta asignar un bloque de una o más páginas físicas. Las páginas se asignan en bloques de tamaño potencia de 2. Esto quiere decir que pueden asignar bloques de 1, 2, 4, etc páginas.
El algoritmo de asignación busca primero entre los bloques de páginas de igual tamaño que el pedido. Luego sigue la lista de páginas libres que está encolada. Si no encuentra ningún bloque de páginas del tamaño pedido libre, entonces busca en los siguientes (los cuales son del doble del tamaño pedido).
Puesto que el número de páginas de cada bloque es potencia de 2, simplemente dividiendo el bloque por la mitad se obtienen dos bloques con un tamaño de bloque inmediatamente inferior.
LIBERACIÓN DE PÁGINAS
Asignar bloques de páginas tiende a fragmentar la memoria al dividir los bloques grandes para conseguir bloques más pequeños. El código de liberación de páginas recombina páginas en bloques de mayor tamaño siempre que es posible. De hecho, el tamaño de bloque de página es importante pues facilita la recombinación en bloques grandes.
Siempre que se libera un bloque de páginas, se comprueba si está libre el bloque adyacente de igual tamaño. Si es así, se combina con el bloque de páginas recién liberado para formar un bloque nuevo de tamaño doble. Cada vez que dos bloques de páginas se recombinan en uno mayor, el algoritmo de liberación intenta volver a recombinarlo en otro aún mayor. De esta forma, los bloques de páginas libres son tan grandes como la utilización de la memoria permita.
LA CACHE DE PÁGINAS LINUX
El cometido de la cache de páginas en Linux es el de acelerar el acceso a los ficheros de disco. Las lecturas sobre los ficheros proyectados en memoria se realizan página a página y estas páginas se guardan en la cache de páginas.
Siempre que se lee en una página de un fichero proyectado en memoria, por ejemplo cuando se necesita traer a memoria una página desde un fichero de intercambio, la página se lee a través de la cache de páginas. Linux asigna una página física y lee la página desde el fichero del disco.
Si es posible, Linux comenzará una lectura de la siguiente página del fichero. Con esta página de adelanto se consigue que si el proceso está accediendo las páginas de forma secuencial, la siguiente página esté lista y esperando en memoria la petición del proceso.
Con el tiempo, la cache de páginas va creciendo conforme las imágenes se leen y ejecutan. Las páginas han de ser eliminadas de la cache cuando dejan de utilizarse. Conforme Linux utiliza memoria puede comenzar a escasear las páginas de memoria física. En esta situación Linux reducirá el tamaño de la cache de páginas.
INTERCAMBIANDO Y LIBERANDO PÁGINAS EN LINUX
Cuando queda poca memoria física, el subsistema de gestión de memoria de Linux tiene que intentar liberar páginas físicas. Este trabajo es realizado por el demonio de intercambio del núcleo (kswapd). El demonio de intercambio del núcleo es un tipo especial de proceso, un hilo de ejecución del núcleo (kernel thread). Los hilos del núcleo son procesos que no tienen memoria virtual, en lugar de ello, se ejecutan en modo núcleo en el espacio de memoria física. Su misión es la de garantizar que haya suficientes páginas libres en el sistema para mantener al sistema de gestión de memoria funcionando eficientemente.
Linux no quiere enviar a disco de intercambio demasiadas páginas a la vez, por lo lleva la cuenta de cuantas páginas están en ese momento siendo copiadas al fichero de intercambio.
Si hay suficientes páginas libres, el demonio de intercambio se duerme hasta que el temporizador expire, en caso contrario, el demonio intenta de tres formas distintas reducir el número de páginas físicas ocupadas:
- Reduciendo el tamaño de la cache de páginas y el buffer cache,
- Enviando a disco páginas compartidas,
- Enviando a disco o descartando páginas.
Si el número de páginas libres ha caído demasiado, el demonio de intercambio intentará liberar 6 páginas antes de su próxima ejecución. En caso contrario, intentará liberar 3 páginas. Los métodos anteriores se intentan uno tras otro de hasta que se consiguen liberar suficientes páginas. Luego el demonio de intercambio se suspende hasta que el temporizador vuelva a expirar. El demonio recuerda cuál fue el último método que empleó para liberar páginas, y la próxima vez que se ejecuta lo vuelve a intentar con el mismo método que tuvo éxito.
INTERCAMBIO DE PÁGINAS COMPARTIDAS EN LINUX
El esquema de compartición de memoria es un mecanismo de comunicación entre procesos que permite que dos procesos compartan un espacio de memoria virtual para intercambiarse información entre ellos.
El demonio de intercambio del núcleo también utiliza el algoritmo del reloj para intercambiar las páginas compartidas. Cada vez que se ejecuta, recuerda cuál fue la última página de memoria virtual compartida que intercambió. De esta forma se asegura que todas las áreas de memoria compartida tienen la misma probabilidad de ser intercambiadas.
INTERCAMBIANDO Y DESCARTANDO PÁGINAS
El demonio de swap revisa de uno en uno cada proceso del sistema para ver si es un buen candidato para intercambiar algunas de sus páginas. Buenos candidatos son procesos que pueden ser intercambiados (algunos procesos no pueden, p.e. los procesos de tiempo real) y que tienen una o más páginas que pueden ser enviadas al disco o descartadas de memoria. Las páginas son enviadas al disco sólo si los datos que contienen no pueden ser recuperados de otra forma.
Una gran cantidad del contenido de una imagen ejecutable viene de la imagen del fichero y puede ser fácilmente releído desde el mismo fichero. Estas páginas sencillamente se pueden descartar; cuando vuelven a referenciarse por el proceso, éstas se traen otra vez a memoria desde la imagen ejecutable del fichero.
Una vez se ha localizado un proceso candidato para enviar a disco algunas de sus páginas, el demonio de intercambio examina todas sus regiones de memoria virtual buscando áreas que no estén compartidas ni bloqueadas. Linux no intercambiará a disco todas las páginas posibles del proceso que ha sido elegido; sólo quitará un pequeño número de páginas. Las páginas bloqueadas en memoria no se pueden intercambiar ni descartar.
El algoritmo de intercambio de Linux emplea la antigüedad de las páginas. Cada página tiene un contador que da al demonio de intercambio una cierta idea de si vale la pena o no intercambiar un página. Las páginas envejecen cuando no son utilizadas y rejuvenecen cuando son accedidas; el demonio de intercambio sólo envía a disco páginas viejas. La acción por defecto cuando se asigna una página por primera vez es darle un valor inicial de antigüedad de 3. Cada vez que se accede, el valor de antigüedad se incrementa en 3 hasta un máximo de 20.
Cada vez que el demonio intercambio se ejecuta, envejece las páginas decrementando su valor en 1. Si una página es vieja (age = 0), el demonio de intercambio la procesará. Páginas sucias (Dirty) son páginas que se pueden intercambiar.
LA CACHE DE INTERCAMBIO DE LINUX
Cuando se tiene que intercambiar páginas a disco, Linux intenta evitar escribirlas. Hay veces que una página está a en un fichero de intercambio y en memoria física. Esto sucede cuando una página que fue intercambiada a disco ha sido nuevamente leída a memoria principal cuando un proceso la ha necesitado. Mientras la página que está en memoria no sea modificada por el proceso, la página que está en disco es válida.
Linux utiliza la cache de intercambio para gestionar estas páginas. La cache de intercambio es una lista de entradas de tabla de páginas, una por cada página física del sistema. Si una entrada en la cache de intercambio es distinta de cero, entonces representa una página que está en el fichero de intercambio que no ha sido modificada. Si la página se modifica posteriormente (un proceso escribe sobre ella), su entrada se borra de la cache de intercambio.
Cuando Linux necesita enviar una página física a un fichero de intercambio consulta la cache de intercambio, si hay una entrada válida para está página, entonces no es necesario copiar la página al fichero de intercambio. Pues la página de memoria no ha sido modificada desde la última vez que se leyó del fichero de intercambio.
Las entradas en la cache de intercambio son entradas de la tabla de páginas de páginas que estén en algún fichero de intercambio. Están marcadas como inválidas pero contienen información que permiten a Linux encontrar el fichero de intercambio y el página correcta dentro del fichero de intercambio.
COPY ON WRITE
Copy-on-write es una técnica para realizar eficientemente (tanto en tiempo como en memoria) la copia de páginas. Linux no duplica las páginas de memoria que son necesarias para un nuevo proceso, sino que hace apuntar las entradas de la tabla de páginas del nuevo proceso a las páginas del proceso padre. Cuando alguna de las páginas es modificada por alguno de los procesos, entonces el núcleo pasa a realizar la duplicación de dicha página. Así, Linux se evita la copia de páginas de memoria que no van ha ser utilizadas ahorrando la memoria correspondiente y el tiempo necesario para copiarlas.
La forma de llevar a cabo este proceso consiste en establecer los permisos de estas páginas a sólo-lectura pero sabiendo que dichas páginas se pueden modificar. Cuando ocurre una violación de acceso a estas páginas (uno de los procesos intenta escribir) es cuando se realiza la duplicación propiamente dicha.
AUTOR
Leonardo Muro García
Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ciencias
Caracas, Venezuela
21 de Noviembre de 2007
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