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基本情報技術概論 ( 第 14 回 ) PowerPoint PPT Presentation


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ソフトウェア 記憶の管理 と 仮想記憶. 基本情報技術概論 ( 第 14 回 ). 埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史. 情報処理技術者試験の過去問 http://www.jtec.ipa.go.jp/. 期末試験. 7/30 ( 木 ) 3, 4 限 工 -11 教室 ( 要確認 ) 試験範囲 : 中間試験以後、 7/23 の講義分まで アルゴリズムとデータ構造 ( 第2部 , 第 10 部 01) ソフトウェア ( 第 4 部 01 ~ 09, 第 10 部 03 該当部分 )

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基本情報技術概論 ( 第 14 回 )

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


14

ソフトウェア 記憶の管理 と 仮想記憶

基本情報技術概論 (第14回)

埼玉大学 理工学研究科

堀山 貴史


14

情報処理技術者試験の過去問 http://www.jtec.ipa.go.jp/

期末試験

  • 7/30 (木) 3, 4 限 工-11 教室 (要確認)

  • 試験範囲: 中間試験以後、7/23 の講義分まで

    • アルゴリズムとデータ構造 (第2部, 第10部 01)

    • ソフトウェア (第4部 01~09, 第10部 03 該当部分)

    • 確率と統計 (7/23 に実施)

  • 持ち込み不可

    • 荷物はイスの下に。

    • 机の上 や 机の棚に 物がある場合は、

      不正行為とみなします。

  • 問題用紙や解答用紙の配布を始めたら、私語厳禁。(私語も不正行為とみなします。)


14

前回の復習: ソフトウェアの体系

  • 制御プログラム

    • スーパバイザ

    • 制御 (管理) やユーザプログラム実行の監視

    • ジョブ管理、タスク管理、記憶管理

    • データ管理、運用管理、障害管理

  • 言語プロセッサ

    • コンパイラ、アセンブラ、インタプリタ

  • サービスプログラム

    • ユーザインタフェース

ユーザ

アプリケーションソフトウェア

基本ソフトウェア

(OS)

ハードウェア


14

ずいぶん前の復習: コンピュータの構成

CPU

  • 主記憶 (main memory, メモリ) に、

    プログラムとデータを置く

制御装置

演算装置

入力装置

主記憶装置

出力装置

補助記憶装置


14

記憶の管理

  • 主記憶に 複数のプログラム を置きたい

  • 主記憶よりも 大きなサイズのプログラム を扱いたい

  • 実記憶管理

    プログラムから、実際の主記憶(の大きさや番地)が見える

    • スワッピング方式 / オーバーレイ方式

  • 仮想記憶管理

    プログラムからは、仮想記憶が見えるOS が、仮想記憶と実記憶とを対応させる

    • セグメント方式 / ページング方式

_________________

_________________


14

実記憶管理(1) スワッピング方式

________________

  • 主記憶に複数のプログラムを置きたい

スワップアウト

実行に関係のないプログラムを、主記憶から待避させる

1. スワップ

アウト

プログラム D

プログラム C

プログラム B

2. 空き領域

に ロード

プログラム E

プログラム A

OS

新しいプログラムを実行したい

主記憶装置

補助記憶装置


14

実記憶管理(1) スワッピング方式

  • 主記憶に複数のプログラムを置きたい

スワップイン

スワップアウトされていたプログラムを主記憶に戻す

スワップ

イン

___

プログラム E

プログラム D

実行を

再開したい

プログラム A

主記憶に空きが

なければ、

他のプログラムを

スワップアウト

OS

主記憶装置

補助記憶装置


14

実記憶管理(2) オーバーレイ方式

________________

  • 主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

  • 実行するプログラムを、セグメント(モジュール) に分割

  • (OS ではなく) プログラム自身が

    ロードのタイミングを指定

ルート

セグメント

必要な最大サイズ

ルート

セグメント A

セグメント B

セグメント C

セグメントD

主記憶装置

※ AとB、CとDは同時に使わない


14

フラグメンテーション (断片化)

________________

  • OSが記憶領域の割当てと開放を繰り返す

            → こま切れの未使用領域(断片)

    合計では十分な空き領域があるが、

              こま切れのため、使えない

プログラム E

プログラム D

コンパクション

こま切れの隙間を集めて、連続した 領域にする

プログラム F

OS

主記憶装置


14

プログラム実行に関連した用語

  • 再配置(リロケーション)

    • プログラムを、主記憶上の他の位置に置き直す(→ see also 演習 14回 再配置可能)

  • ガーベージ コレクション(ゴミ集め, Garbage Collection)

    • 動的に確保した記憶領域のうち、不要になった部分を回収し、再び利用できるようにする処理(Java 等で、実行環境が自動的に行ってくれる)

  • メモリ リーク

    • プログラムが、動的に確保した記憶領域を、不要になっても解放せず、保持し続けること

    • システムから見ると、使える主記憶が減っていく


14

仮想記憶


14

仮想記憶

  • 主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

  • OSが必要な所を必要に応じてロードしてくれると便利

  • OS が主記憶よりも大きなサイズの記憶空間を

    仮想的に用意する (仮想記憶という)

  • プログラムは、実記憶(のサイズや番地)を気にしなくてよい

分割 E

実記憶

プログラム

分割 C

分割 D

OS が、

必要に応じてロード

分割 A

OS

分割 C

分割 B

分割 A

主記憶装置

補助記憶装置

仮想記憶


14

仮想記憶管理(1) セグメント方式

________________

________________

  • セグメント … 論理的に意味のある、分割単位

  • プログラムをセグメントに分割して、OS が管理

  • セグメントのサイズは、可変

    … フラグメンテーションが起きる可能性あり

    (→ コンパクション を行う)

________________


14

仮想記憶管理(2) ページング方式

________________

________________

  • ページ … サイズ固定の分割単位

  • プログラムをページに分割して、OS が管理

  • ページフォールト

    • 必要なページが、実記憶に配置されていない

  • ページ置き換え

    • ページフォルトが発生したら

    • 必要ないページを補助記憶に待避 (ページアウト)

    • 必要なページを主記憶にロード (ページイン)

_____________


F i fo

テキスト p.110, 111 も参照

ページ置き換えアルゴリズム FIFO

First-In First-Out

  • どのページを必要ないと判断するか

    • FIFO … 最初に入ったページが、最初に出ていく

________________

  • 次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は

    FIFO により どのように変化するか示しなさい。

(H18年度 秋 改変)

割当て

ステップ

参照する

仮想ページ

実記憶の状態

参考: Beladyの例外

実記憶の割当て量を増やすと、かえってページフォールトが増えることがある

1

1

1

-

-

2

4

1

4

-

3

2

1

4

2

4

1

5

5

6

1


14

テキスト p.110, 111 も参照

ページ置き換えアルゴリズム LRU

Least Recently Used

  • どのページを必要ないと判断するか

    • LRU … 最も長く使われていないページを捨てる(最後に参照されてからの時間が最も長いページ)

________________

  • 次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は

    LRU により どのように変化するか示しなさい。

(H18年度 秋 改変)

割当て

ステップ

参照する

仮想ページ

実記憶の状態

1

1

1

-

-

2

4

1

4

-

3

2

1

4

2

4

1

5

5

6

1


14

スラッシング

________________

  • 主記憶が極端に小さいと …

    ⇒ ページング (ページイン/ページアウト) が頻繁に発生

    ⇒ 処理時間のほとんどがページング、

    プログラム実行のスループットが極端に低下

参考: 参照の局所性

  • 時間的局所性

    • 今 参照されている箇所は、近い将来にも参照される可能性が高い

  • 空間的局所性

    • 今 参照されている箇所の近くの場所が、参照される可能性が高い

仮想記憶やキャッシュが有効に機能する理由


14

動的アドレス変換

________________

物理アドレス

主記憶

論理アドレス

1000

ページ 5

1000 + F01 = 1F01

5

F 0 1

ページ番号

ページ枠内のアドレス

2000

ページ 1

ページ テーブル

ページ番号

ページ枠の物理アドレス

3000

ページ A

1

2 0 0 0

※ 参照ページがページテーブルに無い場合、ページフォールト

1 0 0 0

5

A

3 0 0 0

仮想記憶上の仮想アドレス (論理アドレス) を

主記憶上の実アドレス (物理アドレス) に変換する

例) ページング


14

スラッシング

________________

  • 主記憶が極端に小さいと …

    ⇒ ページング (ページイン と ページアウト) が

    頻繁に発生

    ⇒ 処理時間のほとんどがページング、

    プログラム実行のスループットが極端に低下


14

参考: 参照の局所性

※ 仮想記憶やキャッシュは、 これらの局所性のおかげで有効に機能する

  • 時間的局所性

    • 今 参照されている箇所は、

      近い将来にも参照される可能性が高い

  • 空間的局所性

    • 今 参照されている箇所の近くの場所が、

      参照される可能性が高い


14

練習問題: フラグメンテーション (断片化)

(H19年度 春 改変)

  • モジュール A ~ E を次の順で操作する。

    操作終了時点で、 主記憶の空き領域は何か所存在するか。

    ここで、主記憶は 500 kB、初期状態では何もロードされていない。また、モジュールは空き領域の先頭からロードする。

    [操作] A ロード → B ロード → C ロード → B 解放

    → D ロード → A 解放 → E ロード

モジュール

大きさ (kB)

A

200

B

100

C

150

D

80

E

90


14

この文面は、TOKYO TECH OCW の利用条件を参考にしました

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  • この教材は、以下に示す利用条件の下で、著作権者にわざわざ許諾を求めることなく、無償で自由にご利用いただけます。講義、自主学習はもちろん、翻訳、改変、再配布等を含めて自由にご利用ください。

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14

この教材のご利用について

  • 配布場所

    • http://www.al.ics.saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/

  • この powerpointファイルの著作者

    • 堀山 貴史 2007-2009 [email protected]

    • [email protected]ください

  • 図の著作者

    • p. 3

      • クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート

    • その他

      • 堀山 貴史


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