Seminar: Memory Management in Modern Operating Systems (AKSI)

Inhalt

Das Seminar gibt Einblicke in die Abläufe der alltäglichen Forscherpraxis. Jeder Teilnehmer fertigt eine schriftliche Ausarbeitung und einen Vortrag über ein bestimmtes Themengebiet der systemnahen Informatik an. Semesterthema in diesem Jahr ist Memory Management in Modern Operating Systems.

Die Speicherverwaltung ist seit je her einer der ausschlaggebendsten Faktoren für die Performance eines Betriebssystems. Die effiziente und ressourcenschonende Verwendung von Speicher war besonders essenziell, als dieser noch stark begrenzt war. Verschieden Strategien wurden hier erforscht, wie das Auslagern von Speicher und das Teilen von Pages und Verwaltungsstrukturen.

Inzwischen nimmt die Kapazität und Geschwindigkeit von Speicher stark zu, was zu neuen Herausforderungen führt. Bei großen verteilten Systemen wird es zunehmend wichtig, den Fluss der Daten zu optimieren. Um einen schnellen Zugriff zu gewähren, müssen Prozessoren und ihre benötigten Daten möglichst nah beieinanderliegen. Hier werden neue Technologien entwickelt wie Active-Memory, wo die DRAM-Controller selbst Speicheroperationen ausführen können oder Near-Memory-Computing, wo Prozessoren direkt in Speicherbausteine integriert werden. Ebenso gibt es Forschung bezüglich der effizienteren Auslastung von SSDs und high-capacity DIMMs (wie Intel Optane). Diese historisch langsameren Massenspeicher sind inzwischen so schnell geworden, dass gängige Abstraktionen diese nicht mehr vollständig auslasten können.

In diesem Seminar wird es noch einmal eine kurze grundlegende Einführung zur Speicherverwaltung in Linux geben. Von der Speicherhierarchie und Virtual Memory hin zu den Linux spezifischen Virtual Memory Areas und Page Caches. Also alles, was für das grundlegende Verständnis aktueller Veröffentlichungen vonnöten ist. Für die weitere Bearbeitung durch die Teilnehmenden steht eine Liste von Themen rund um die Speicherverwaltung zur Auswahl.

Vorkenntnisse

• Kenntnisse im grundlegenden Aufbau, der Struktur und Funktionsweise von Betriebssystemen (bspw. wie in der Vorlesung Grundlagen der Betriebssysteme behandelt)

Modus

Der genaue Modus hängt von der Teilnehmeranzahl ab.

Die Prüfungsleistung besteht aus zwei Teilleistungen: einem etwa 20-minütigen Vortrag mit anschließender Diskussion und einer schriftlichen Ausarbeitung (etwa 3 Seiten).

Die Ausarbeitung ist im IEEE Paper-Template in deutscher oder englischer Sprache zu verfassen. Zusätzlich wird ein Reviewprozess der Paper simuliert, über dessen Ergebnisse nach dem jeweiligen Vortrag diskutiert wird. Die Termine der Vorträge werden noch bekannt gegeben.

Themen

Diese Paper stehen zur Auswahl:

Management

• 2023, Leis et al.: Virtual-Memory Assisted Buffer Management (Pre-print im StudIP)
• 2022, Crotty et al.: Are You Sure You Want to Use MMAP in Your Database Management System?
• 2021, Zhao et al.: On-demand-fork: a microsecond fork for memory-intensive and latency-sensitive applications
• 2021, Ainsworth et al.: Compendia: reducing virtual-memory costs via selective densification
• 2018, Kurth et al.: Scalable and Efficient Virtual Memory Sharing in Heterogeneous SoCs with TLB Prefetching and MMU-Aware DMA Engine
• 2018, Haria et al.: Devirtualizing Memory in Heterogeneous Systems
• 2010, Saxena et al.: FlashVM: Virtual Memory Management on Flash

Technologies

• 2021, Venkataraman et al.: HeMem: Scalable Tiered Memory Management for Big Data Applications and Real NVM
• 2017, Peng et al.: Exploring the Performance Benefit of Hybrid Memory System on HPC Environments
• 2020, Korolija et al.: Do OS abstractions make sense on FPGAs?
• 2020, Wang et al.: Shuhai: Benchmarking high bandwidth memory on fpgas
• 2018, Singh et al.: A Review of Near-Memory Computing Architectures: Opportunities and Challenges
• 2015, Schwalb et al.: nvm_malloc: Memory Allocation for NVRAM

Classic

• 1991, Appel et al.: Virtual Memory Primitives for User Programs
• 1989, Bolosky et al.: Simple but effective techniques for NUMA memory management
• 1989, Abrossimov et al.: Generic Virtual Memory Management for Operating System Kernels

Zugriff ist möglich mit der Uni Lizenz aus dem eduroam oder mittels VPN.

Semesterplan

Wenn es Probleme oder Nachfragen zu den Papers bzw. zur Ausarbeitung gibt, steht der Betreuer auch außerhalb der Termine zur Verfügung.

Weiterführende Literatur

Diese Paper dienen als weiterführende Literatur und sind für die Teilnahme an der Veranstaltung nicht notwendig:

• S. Keshav: How to Read a Paper
• T. Roscoe: Writing Reviews for Systems Conferences
• G. Heiser: Benchmarking Crimes

Evaluationen

• WS23/24 • Seminar • Daniel Lohmann • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.3
• WS19/20 • Daniel Lohmann • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.2

Anmeldung und weitere Infos

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