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Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock Hugo Henrique Cassettari Edson Toshimi Midorikawa EPUSP - Escola Politécnica.

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1 Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock Hugo Henrique Cassettari Edson Toshimi Midorikawa EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo PCS - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais

2 Objetivo Apresentar o 3P: Um algoritmo adaptativo para substituição de páginas plenamente online, que procura aliar a eficiência de implementação do algoritmo Clock à eficiência de substituição do algoritmo LRU-WAR II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

3 Apresentação Algoritmos de substituição de páginas ­ Algoritmos adaptativos ­ Algoritmo LRU-WAR ­ Soluções online Algoritmo 3P ­ Esquema operacional ­ Pontos de substituição ­ Custo de implementação ­ Avaliação de desempenho II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

4 Memória Virtual com Paginação Problema da Substituição: Qual página deve ser retirada da memória principal? Algoritmo de Substituição de Páginas II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP Memória Principal Área de Swap (Disco)

5 Algoritmos Adaptativos de Substituição Adaptam seu comportamento em uma execução Atuam de acordo com as características de acesso à memória detectadas Exemplos: ­ SEQ (1997) ­ EELRU – Early Eviction LRU (1999) ­ DEAR – DEtection-based Adaptive Replacement (1999) ­ AFC – Application/File-level Characterization (2000) ­ UBM – Unified Buffer Management (2000) ­ LRFU – Least Recently/Frequently Used (2001) ­ LIRS – Low Inter-reference Recency Set (2002) ­ ARC – Adaptive Replacement Cache (2003) II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

6 Algoritmo LRU-WAR (Working Area Restriction) LRU com Confinamento da Área de Trabalho (2004 – I WSO) Procura detectar padrões de acesso seqüenciais - Muitas faltas de página e baixa reutilização Área de trabalho: II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

7 Algoritmo LRU-WAR (Working Area Restriction) Utiliza LRU ou MRU-n Diferencia reuso imediato de localidade temporal II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

8 Soluções Online Algoritmo Clock, ou Algoritmo do Relógio (1969) Algumas variações: - GClock – Generalized Clock (1978) - WSClock (1981) - Two-Handed Clock (1982) II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

9 Propostas Adaptativas Online CAR – Clock with Adaptive Replacement (2004) ­ Versão aproximada do algoritmo ARC, inspirado no 2Q ­ Páginas recentemente reutilizadas são isoladas das demais CART – CAR with Temporal filtering (2004) ­ Variação do algoritmo CAR ­ Bit adicional para identificar páginas com reutilização constante Clock-Pro (2005) ­ Versão aproximada do algoritmo LIRS ­ Diferencia páginas quentes e frias através de bits adicionais II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

10 Algoritmo 3P 3 Ponteiros – 3 Pointers Inspirado nos algoritmos Clock (implementação) e LRU-WAR (detecção de acessos seqüenciais) II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

11 Algoritmo 3P Utiliza três ponteiros que se movimentam em conjunto - CLOCK: Ponteiro para substituição Clock (pseudo-LRU) - ANTECIPADO: Ponteiro para substituição precoce (pseudo-MRU) - APAGADOR: Ponteiro para apagar bits de acesso (filtro de reuso imediato) II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

12 Algoritmo 3P Área Jovem - Contém páginas recém-carregadas em período de teste de reutilização (não necessariamente) - Somente páginas não referenciadas em tal período podem ser substituídas pelo ponteiro ANTECIPADO II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

13 Algoritmo 3P Três estados de execução, como o LRU-WAR II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

14 Algoritmo 3P Custo de implementação extremamente baixo - Complexidade computacional de substituição equivalente à do Clock, variando de uma ordem O(1) a uma ordem O(n) - Menor custo de implementação dentre todos os algoritmos adaptativos para substituição de páginas conhecidos II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

15 Avaliação de Desempenho 1041 simulações realizadas com 16 programas II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

16 Avaliação de Desempenho Melhores e piores resultados médios (algoritmos online) II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

17 Avaliação de Desempenho Diferenças de desempenho mais significativas II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

18 Gráficos de Desempenho (3P versus Clock) Melhor desempenho médio obtido com o 3P: CS II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

19 Gráficos de Desempenho (3P versus Clock) Melhor desempenho médio obtido com o 3P: CS II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

20 Gráficos de Desempenho (3P versus Clock) Pior desempenho médio obtido com o 3P: Sprite II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

21 Gráficos de Desempenho (3P versus Clock) Pior desempenho médio obtido com o 3P: Sprite II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

22 Gráficos de Desempenho (3P versus Clock) Exemplo de caso médio: Grobner II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

23 Gráficos de Desempenho (3P versus Clock) Exemplo de caso médio: Grobner II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

24 Resultados Importantes O desempenho do 3P foi igual ou superior ao do Clock em 844 simulações (81,1% do total) O desempenho do 3P foi significativamente melhor que o do Clock – acima de 10% – em 356 simulações (34,2%) O desempenho do 3P foi significativamente pior que o do Clock – abaixo de 10% – em apenas 16 simulações (1,5%) II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

25 Conclusão Algoritmo 3P ­ Alternativa simples e viável ­ Muito eficiente quando acessos seqüenciais predominam ­ Picos negativos aceitáveis ­ Custo de implementação extremamente baixo Trabalhos futuros - Implementação prática do algoritmo em um sistema operacional - Adaptação para outros tipos de memória cache Agradecimentos ­ Scott Kaplan e Yannis Smaragdakis ­ Song Jiang II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP

26 Contato Hugo Henrique Cassettari: Edson Toshimi Midorikawa: ESCOLA POLITÉCNICA DA USP Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais Laboratório de Arquitetura e Computação de Alto Desempenho Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 158, Cidade Universitária CEP: , São Paulo-SP II WSO / 2005 – Algoritmo de Substituição de Páginas 3P: Acrescentando Adaptatividade ao Clock - EPUSP


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