3.3.2.2.3 Seitenersetzungsverfahren

Tritt bei der Adressumrechnung in der MMU ein Page fault auf, so muss das Betriebssystem dafür sorgen, dass die benötigte virtuelle Seite aus dem Hintergrundspeicher in einen freien Seitenrahmen des physikalischen Speichers eingelagert wird.

Steht derzeit aber kein freier Seitenrahmen zur Verfügung, so ist es die Aufgabe des implementierten Seitenersetzungsverfahrens zu entscheiden, welche momentan eingelagerte virtuelle Seite in den Hintergrundspeicher verschoben wird. Dadurch wird dann (mindestens) ein freier Seitenrahmen geschaffen, die benötigte virtuelle Seite kann eingelagert werden, und die MMU kann die zuvor gescheiterte Adressumrechnung erneut durchführen.

Was bei der Seitenersetzung passiert

Eine einfache Beschreibung des Ablaufs einer Seitenersetzung ist wie folgt:

1. Die MMU stellt fest, dass die benötigte virtuelle Seite B nicht in einem Seitenrahmen eingelagert ist und löst deshalb einen Page fault aus.
2. Es wird festgestellt, dass kein freier Seitenrahmen mehr 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, sie kann später wieder eingelagert werden.
5. Die benötigte Seite B wird eingelagert, d.h. ihr Inhalt wird in den Seitenrahmen X geschrieben. Das Ersetzungsverfahren ist damit abgeschlossen.

Wichtig

Das Schreiben der zu ersetzenden Seite E in den Hintergrundspeicher kostet viel Zeit! Das ist schlecht für die Performanz des Gesamtsystems.

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

Eine Seite kann beispielsweise den Programmtext oder die Daten eines Prozesses enthalten.

Aufgabe 1

Aufgabe

 Aufg. : Wenn eine Seite Programmtext enthält

Eine zu ersetzende Seite enthält lediglich Programmtext (also den ausführbaren Maschinencode mit den Befehlen) eines Prozesses. Diese Inhalte dürfen während der Ausführung des zugehörigen Prozesses nicht verändert werden.

Ist es erforderlich, diese Seite in den Hintergrundspeicher auszulagern, oder kann die dafür benötite Zeit eingespart werden? Erläutere deine Antwort!

Aufgabe 2

Aufgabe

 Aufg. : Wenn eine Seite Daten enthält

Eine zu ersetzende Seite enthält Daten. Diese Inhalte können verändert worden sein, müssen aber es nicht.

Ist es erforderlich, diese Seite in den Hintergrundspeicher auszulagern, oder kann die dafür benötite Zeit eingespart werden? Erläutere deine Antwort!

Betrachte folgende Situationen:

1. Die Inhalte der Seite wurden verändert, weil Werte in Speicherzellen dieser Seite geschrieben wurden.
2. Die Inhalte der Seite wurden nicht verändert, zudem befindet sich eine Kopie der Seite im Hintergrundspeicher, weil sie zu einem früheren Zeitpunkt bereits einmal ausgelagert war.

Auslagern von modifizierten Seiten

Es liegt auf der Hand, dass modifizierte Seiten nicht einfach ersetzt werden dürfen, bevor sie nicht im Hintergrundspeicher gesichert wurden. Ihre Inhalte wären andernfalls verloren, was negative Auswirkungen auf den betreffenden Prozess nach sich ziehen dürfte. Insbesondere könnten sie zu einem späteren Zeitpunkt nicht wieder eingelagert werden.

Frage

Wie kann das Betriebssystem aber feststellen, ob die Inhalte einer derzeit noch eingelagerten Seite modifiziert wurden, und so eine Auslagerung vor dem Ersetzen erforderlich wird?

Es gibt dafür eine ganz einfache Lösung: Das M-Bit.

Das Modifiziert-Bit

In den Seitentabellen wird eine zusätzliche Spalte eingeführt, siehe Abbildung unten. Für jede einzelne Seite (d.h. in jedem Seitentabelleneintrag) wird mit Hilfe eines einzelnen Bits festgehalten, ob die betreffende Seite verändert wurde.

{{#index:Modifiziert-Bit|Seitentabelleneintrag, Modifiziert-Bit|M-Bit|Seitentabelleneintrag, M-Bit}} Man spricht hier vom sogenannten Modifiziert-Bit, oder kurz vom M-Bit.

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

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

 Abb. : Seitentabelle mit zusätzlicher Spalte für M-Bit

CC-BY

Die MMU nimmt bei der (erfolgreichen) Umrechnung einer virtuellen in eine physikalische Adresse ein Setzen des Bits im betreffenden Eintrag der Seitentabelle vor, sofern ein schreibender Zugriff auf die betreffende Speicherzelle erfolgen soll.

Hinweis

Ist das M-Bit gesetzt (also gleich 1), so muss die zu ersetzende Seite E ausgelagert werden, d.h. der Zeitaufwand für ein Kopieren der Seite in den Hintergrundspeicher ist unvermeidlich.

Seitenersetzungsverfahren

In der obigen Auflistung findet sich u.a. der Punkt "Die zu ersetzende Seite E wird bestimmt,...", und es stellt sich die Frage:

Frage

Wie wird die zu ersetzende Seite bestimmt?

to-do

Im Laufe der Entwicklungsgeschichte von Betriebssystemen wurden eine ganze Reihe von Seitenersetzungsverfahren vorgeschlagen:

• Optimaler Algorithmus
• NRU
• FIFO
• Second Chance
• Clock Page
• LRU
• NFU

Siehe Mandl 2013 Kap. 7.2.3, 7.2.4

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