Konsep Memori

Pangeran Dante on On 1:33 AM with 3 comments

Konsep Memori Pada Linux - Alokasi memori pada Linux menggunakan dua buah alokasi yang utama, yaitu algoritma buddy dan slab. Untuk algoritma buddy, setiap routine pelaksanaan alokasi ini dipanggil, maka blok memori berikutnya akan diperiksa. Jika ditemukan dia dialokasikan, namun jika tidak maka daftar tingkat berikutnya akan diperiksa. Jika ada blok bebas, maka akan dibagi jadi dua, yang satu dialokasikan dan yang lain dipindahkan ke daftar yang dibawahnya. Sedangkan algoritma slab menggunakanslab yang dibentuk dari halaman-halaman memori fisik yang berdekatan dan digunakan terutama untuk kegiatan pengalokasian memori fisik.

Linux juga menggunakan variasi dari algoritma clock. Thread dari kernel Linux akan dijalankan secara periodik. Jika jumlah halaman yang bebas lebih sedikit dari batas atas halaman bebas, maka thread tersebut akan berusaha untuk membebaskan tiga halaman. Jika lebih sedikit dari batas bawah halaman bebas, threadtersebut akan berusaha untuk membebaskan enam halaman dan tidur untuk beberapa saat sebelum berjalan lagi.

Memori Fisik

Manajemen memori pada Linux mengandung dua komponen utama yang berkaitan dengan:

1. Pembebasan dan pengalokasian halaman/blok pada main memori.
2. Penanganan memori virtual.

Berdasarkan arsitektur Intel x86, Linux memisahkan memori fisik ke dalam tiga zona berbeda, dimana tiap zona mengindentifikasikan blok (region) yang berbeda pada memori fisik. Ketiga zona tersebut adalah:

1. Zona DMA (Direct Memory Access). Tempat penanganan kegiatan yang berhubungan dengan transfer data antara CPU dengan M/K, dalam hal ini DMA akan menggantikan peran CPU sehingga CPU dapat mengerjakan instruksi lainnya.
2. Zona NORMAL. Tempat di memori fisik dimana penanganan permintaan-permintaan yang berhubungan dengan pemanggilan routine untuk alokasi halaman/blok dalam menjalankan proses.
3. Zona HIGHMEM. Tempat yang merujuk kepada memori fisik yang tidak dipetakan ke dalam ruang alamat kernel.

Memori manager di Linux berusaha untuk mengefisienkan ruang alamat pada memori fisik, agar memungkinkan lebih banyak proses yang dapat bekerja di memori dibandingkan dengan yang sudah ditentukan oleh kernel. Oleh karena itu, digunakanlah dua macam teknik alokasi, yaitu alokasi halaman yang ditangani oleh page allocator dan alokasi slab yang ditangani oleh slab allocator.

Alokasi halaman menggunakan algoritma buddy yang bekerja sebagai berikut. Pada saat kegiatan alokasi data di memori, blok di memori yang disediakan oleh kernel kepada suatu proses akan dibagi menjadi dua blok yang berukuran sama besar. Kejadian ini akan terus berlanjut hingga didapat blok yang sesuai dengan ukuran data yang diperlukan oleh proses tersebut. Dalam hal ini page allocator akan memanggil system call kmalloc() yang kemudian akan memerintahkan kernel untuk melakukan kegiatan pembagian blok tersebut

Contoh Alokasi Memori dengan Algoritma Buddy

Slab

Alokasi slab bertujuan untuk mengalokasikan struktur data (obyek) kernel yang dibutuhkan di memori fisik untuk menjalankan proses tertentu. Alokasi slabmenggunakan algoritma slab. Slab dibentuk dari halaman-halaman memori fisik yang berdekatan serta digunakan terutama untuk kegiatan pengalokasian memori fisik. Sebuah cache pada disk terdiri dari satu atau lebih slab, dan diisi oleh beberapa obyek. Obyek merupakan bentuk instansiasi dari struktur data kernel yang direpresentasikan oleh cache yang bersangkutan.

Ketika sebuah cache dibentuk, maka semua obyek di dalam cache tersebut berstatus free, dan ketika terjadi sebuah permintaan dari suatu proses, maka obyek-obyek yang dibutuhkan untuk memenuhi permintaan tersebut akan diset berstatus used. Kemudian obyek-obyek yang berstatus used tersebut yang telah dikelompokkan ke dalam slab-slab akan dipetakan dari cache ke dalam memori fisik.

Sebuah slab dapat berstatus:

• Full. Semua obyek di dalam slab tersebut adalah used.
• Empty. Semua obyek di dalam slab tersebut adalah free.
• Partial. Ada obyek yang used dan ada pula yang free.

Keuntungan algoritma slab:

Tidak terdapatnya fragmentasi pada memori fisik, karena ukuran obyek-obyek tersebut telah ditetapkan sesuai dengan yang dibutuhkan proses dalam membantu melakukan kerjanya di memori fisik.

Permintaan oleh memori cepat terpenuhi dengan mendayagunakan kerja dari cache yang dibentuk pada disk.

Memori Virtual

Manajemen memori melakukan tugas penting dan kompleks berkaitan dengan:

• Memori utama sebagai sumber daya yang harus dialokasikan dan dipakai bersama diantara sejumlah proses yang aktif. Agar dapat memanfaatkan prosesor dan fasilitas M/K secara efisien, maka diinginkan memori yang dapat menampung sebanyak mungkin proses.
• Upaya agar programmer atau proses tidak dibatasi kapasitas memori fisik di sistem komputer.

Linux memanfaatkan memori virtual untuk mendukung kinerja sistem. Sebagai sistem operasi multiprogramming, memori virtual dapat meningkatkan efisiensi sistem. Sementara proses menunggu bagiannya di- swap in ke memori, menunggu selesainya operasi M/K dan proses di-block, jatah waktu prosesor dapat diberikan ke proses-proses lain.

Sistem memori virtual Linux berperan dalam mengatur beberapa hal:

1. Mengatur ruang alamat supaya dapat dilihat oleh tiap proses.
2. Membentuk halaman-halaman yang dibutuhkan.
3. Mengatur lokasi halaman-halaman tersebut dari disk ke memori fisik atau sebaliknya, yang biasa disebut swapping.

Sistem memori virtual Linux juga mengatur dua view berkaitan dengan ruang alamat:

1. Logical View. Mendeskripsikan instruksi-instruksi yang diterima oleh sistem memori virtual mengenai susunan ruang alamat.
2. Physical View. Berupa entri-entri tabel halaman, dimana entri-entrinya akan menentukan apakah halaman itu berada di memori fisik yang sedang dipakai untuk proses atau masih berada di disk yang berarti belum dipakai.

Blok Memori Virtual

Berkaitan dengan blok memori virtual, maka memori virtual dalam Linux memiliki karakteristik:

• Backing Store untuk blok. Backing store mendeskripsikan tempat asal halaman pada disk. Kebanyakan blok dalam memori virtual berasal dari suatu berkas pada disk atau kosong (nothing). Blok dengan backing store yang kosong biasa disebut "demand zero memory" yang merupakan tipe paling sederhana dari memori virtual.
• Reaksi blok dalam melakukan write. Pemetaan dari suatu blok ke dalam ruang alamat proses dapat bersifat private atau shared. Jika ada proses yang akan menulis blok yang bersifat private, maka akan dilakukan mekanisme Copy-On-Write atau dengan menulis salinannya.

Umur Memori Virtual

Kernel berperan penting dalam manajemen memori virtual, dimana kernel akan membentuk ruang alamat yang baru di memori virtual dalam dua kondisi:

• Proses menjalankan suatu program dengan system call exec(). Ketika system call exec() dipanggil oleh proses untuk menjalankan suatu program, maka proses akan diberikan ruang alamat virtual yang masih kosong. Kemudian routine-routine akan bekerja me-load program dan mengisi ruang alamat ini.
• Pembentukan proses baru dengan system call fork(). Intinya menyalin secara keseluruhan ruang alamat virtual dari proses yang ada. Langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:
• kernel menyalin descriptor vm_area_struct dari proses induk
• kernel membentuk tabel halaman untuk proses anak,
• kernel menyalin isi tabel halaman proses induk ke proses anak,
• setelah fork(), maka induk dan anak akan berbagi halaman fisik yang sama.

Di samping itu, ada kasus khusus yang harus diperhatikan, yaitu ketika proses penyalinan dilakukan terhadap blok di memori virtual yang bersifat private, dimana blok tersebut dipakai lebih dari satu proses selain proses induk dan anak yang memang berbagi halaman yang sama dan ada proses yang hendak menulis blok tersebut. Jika ini terjadi maka akan dilakukan mekanisme Copy-On-Write, yang berarti mengubah dan memakai salinannya.

Swap

Keterbatasan memori fisik mengharuskan Linux mengatur halaman-halaman mana saja yang harus diletakkan di dalam memori fisik atau swap-in dan juga halaman-halaman yang harus dikeluarkan dari memori fisik atau swap-out. Paging system dari memori virtual dapat dibagi menjadi dua:

1. The pageout-policy algorithm . Menentukan halaman-halaman mana saja yang di swap-out dari memori fisik. Pageout-policy algorithm menggunakan algoritma clock dalam menentukan halaman mana yang harus di swap-out. Dalam Linux, multipass clock digunakan, setiap satu kali pass dari clock, age dari suatu halaman akan disesuaikan. Makin sering suatu halaman di akses, makin tinggi age-nya, tapi age dari suatu halaman berkurang setiap satu kali pass.
2. The paging mechanism. Menentukan halaman-halaman mana saja yang harus dibawa kembali ke dalam memori. Halaman-halaman ini pernah berada dalam memori sebelumnya.

Berikut adalah ilustrasi untuk algoritma clock. Di dalam memori virtual terdapat page 1, 2 dan 3 dengan pointer last-used di page 3. Flag use akan bernilai 1 jikapage tersebut digunakan, sedangkan use akan bernilai 0 jika page tersebut dilewati pointer namun tidak digunakan.

Ketika ada permintaan page 4, sedangkan tidak ada page 4 dalam memori virtual sehingga terjadi page fault, maka page 4 akan dimasukkan ke tempat yang masih kosong, pointer akan menunjuk ke page 4, dan use diubah menjadi 1. Saat datang permintaan page 3, pointer akan mencari page tersebut, sekaligus mengubahflag use menjadi 0 jika page tersebut hanya dilewati, tetapi tidak digunakan.

Ketika ada permintaan untuk page 9, maka terjadi page fault karena page 9 tidak ada dalam memori virtual. Kemudian pointer akan mencari page yang nilai use-nya = 0, yaitu page 2. Hal yang serupa terulang ketika ada permintaan untuk page 5. Sehingga page 4 di swapped-out, dan nilai use dari page 3 diubah menjadi 0.

Pemetaan Memori Program

Pada Linux, binary loader tidak perlu me-load berkas biner ke memori fisik, melainkan dengan cara memetakan halaman dari binary file ke region dari memori virtual. Sehingga hanya ketika program mengakses halaman tertentu akan menyebabkan page fault yang mengakibatkan halaman yang dibutuhkan di-load ke memori fisik.

Dalam pemetaan program ke memori juga terjadi proses load dan eksekusi. Eksekusi dari kernel Linux dilakukan oleh panggilan terhadap system call exec().System call exec() memerintahkan kernel untuk menjalankan program baru di dalam proses yang sedang berlangsung atau current process, dengan cara meng-overwrite current execution dengan initial context dari program baru yang akan dijalankan. Untuk meng-overwrite dan mengeksekusi, akan dilakukan dua kegiatan, yakni:

Memeriksa apakah proses baru yang dipanggil memiliki izin untuk melakukan overwrite terhadap berkas yang sedang dieksekusi. Kernel memanggil loader routine untuk memulai menjalankan program. Loader tidak perlu untuk me-load isi dari berkas program ke memori fisik, tetapi paling tidak mengatur pemetaan program ke memori virtual.

Executable and Linking Format

Linux menggunakan tabel loader untuk loading program baru. Dengan menggunakan tabel tersebut, Linux memberikan kesempatan bagi setiap fungsi untuk me-loadprogram ketika system call exec() dipanggil. Linux menggunakan tabel loader, karena format standar berkas binary Linux telah berubah antara kernel Linux 1.0 dan 1.2. Format Linux versi 1.0 menggunakan format a.out, sementara Linux baru (sejak 1.2) menggunakan format ELF. Format ELF memiliki fleksibilitas dan ekstensibilitas dibanding dengan a.out karena dapat menambahkan sections baru ke binary ELF, contohnya dengan menambahkan informasi debugging, tanpa menyebabkan loader routine menjadi bingung. Saat ini Linux mendukung pemakaian baik format binary ELF dan a.out pada single running system karena menggunakan registrasi dari multiple loader routine.

Link Statis dan Dinamis

Ketika program di-load dan sudah mulai dieksekusi, semua berkas biner yang dibutuhkan telah di-load ke ruang alamat virtual. Meski pun demikian, sebagian besar program juga butuh menjalankan fungsi yang terdapat di sistem pustaka seperti algoritma sorting, fungsi-fungsi aritmatika, dan lain-lain. Untuk itulah fungsi pustaka perlu untuk di-load juga. Untuk mendapatkan fungsi-fungsi yang terdapat di sistem pustaka, ada dua cara, yaitu:

1. Link Statis. Aplikasi dikatakan dikompilasi statis apabila pustaka-pustaka yang dibutuhkan dikompilasi ke dalam binary apllication. Dengan demikian, aplikasi tidak lagi membutuhkan pustaka tambahan. Fungsi pustaka yang dibutuhkan diload langsung ke berkas biner yang dapat dijalankan (executable) program. Kerugian link statis adalah setiap program yang dibuat harus menggandakan fungsi-fungsi dari sistem pustaka, sehingga tidak efisien dalam penggunaan memori fisik dan pemakaian ruang disk.
2. Link Dinamis. Pada dasarnya link dinamis merupakan suatu metode penghubungan antara program dengan suatu sistem pustaka secara dinamis dengan cara menghubungkan routine-routine yang ada ke dalam sistem pustaka. Hal ini sangat berguna pada program yang membutuhkan suatu pustaka. Bayangkan saja jika di dalam suatu sistem operasi tidak mempunyai metode penghubungan seperti ini. Setiap sistem program harus mempunyai salinan dari pustakanya agar program tersebut dapat berjalan dengan baik. Hal ini tentu saja akan membuang disk space dan memori utama untuk hal yang kurang perlu.

sumber: http://pelajaranilmukedokteran.blogspot.com/