VIRTUAL MEMORI

Memori virtual adalah suatu teknik yang memisahkan antara memori logis dan memori fisiknya. Teknik ini menyembunyikan aspek-aspek fisik memori dari pengguna dengan menjadikan memori sebagai lokasi alamat virtual berupa byte yang tidak terbatas dan menaruh beberapa bagian dari memori virtual yang berada di memori logis.

Konsep memori virtual dikemukakan pertama kali oleh John Fotheringham pada tahun 1961 dengan menggunakan dynamic storage allocation pada sistem komputer atlas di Universitas Manchester. Sedangkan istilah memori virtual dipopulerkan oleh Peter J. Denning yang mengambil istilah 'virtual' dari dunia optik.

Gambar 1 Memori virtual lebih besar ukurannya dari memori fisik

Setiap program yang dijalankan harus berada di memori. Memori merupakan suatu tempat penyimpanan utama (primary storage) yang bersifat sementara (volatile). Ukuran memori yang terbatas menimbulkan masalah bagaimana menempatkan program yang berukuran lebih besar dari ukuran memori fisik dan masalah penerapan multiprogramming yang membutuhkan tempat lebih besar di memori. Dengan pengaturan oleh sistem operasi dan didukung perangkat keras, memori virtual dapat mengatasi masalah kebutuhan memori tersebut. Memori virtual melakukan pemisahan dengan menaruh memori logis ke disk sekunder dan hanya membawa halaman yang diperlukan ke memori utama. Teknik ini menjadikan seolah-olah ukuran memori fisik yang dimiliki lebih besar dari yang sebenarnya dengan menempatkan keseluruhan program di disk sekunder dan membawa halaman-halaman yang diperlukan ke memori fisik. Jadi jika proses yang sedang berjalan membutuhkan instruksi atau data yang terdapat pada suatu halaman tertentu maka halaman tersebut akan dicari di memori utama. Jika halaman yang diinginkan tidak ada maka akan dicari di disk. Ide ini seperti menjadikan memori sebagai cache untuk disk. Beberapa keuntungan penggunaan memori virtual adalah sebagai berikut:

• Berkurangnya proses I/O yang dibutuhkan (lalu lintas I/O menjadi rendah). Misalnya untuk program butuh membaca dari disk dan memasukkan dalam memory setiap kali diakses.
• Ruang menjadi lebih leluasa karena berkurangnya memori fisik yang digunakan. Contoh, untuk program 10 MB tidak seluruh bagian dimasukkan dalam memori fisik. Pesan-pesan error hanya dimasukkan jika terjadi error.
• Meningkatnya respon, karena menurunnya beban I/O dan memori.
• Bertambahnya jumlah pengguna yang dapat dilayani. Ruang memori yang masih tersedia luas memungkinkan komputer untuk menerima lebih banyak permintaan dari pengguna.

Gagasan utama dari memori virtual adalah ukuran gabungan program, data dan stack melampaui jumlah memori fisik yang tersedia. Sistem operasi menyimpan bagian-bagian proses yang sedangdigunakan di memori fisik (memori utama) dan sisanya diletakkan di disk. Begitu bagian yang berada di disk diperlukan, maka bagian di memori yang tidak diperlukan akan dikeluarkan dari memori fisik (swap-out) dan diganti (swap-in) oleh bagian disk yang diperlukan itu. Memori virtual diimplementasikan dalam sistem multiprogramming. Misalnya: 10 program dengan ukuran 2 Mb dapat berjalan di memori berkapasitas 4 Mb. Tiap program dialokasikan 256 Kbyte dan bagian-bagian proses swap in) masuk ke dalam memori fisik begitu diperlukan dan akan keluar (swap out) jika sedang tidak diperlukan. Dengan demikian, sistem multiprogramming menjadi lebih efisien. Prinsip dari memori virtual yang perlu diingat adalah bahwa "Kecepatan maksimum eksekusi proses dimemori virtual dapat sama, tetapi tidak pernah melampaui kecepatan eksekusi proses yang sama di sistem yang tidak menggunakan memori virtual".

Demand Paging

Demand paging adalah salah satu implementasi dari memori virtual yang paling umum digunakan. Demand paging pada prinsipnya hampir sama dengan permintaan halaman (paging) hanya saja halaman (page) tidak akan dibawa ke ke dalam memori fisik sampai ia benar-benar diperlukan. Untuk itu diperlukan bantuan perangkat keras untuk mengetahui lokasi dari halaman saat ia diperlukan. Karena demand paging merupakan implementasi dari memori virtual, maka keuntungannya sama dengan keuntungan memori virtual, yaitu:

• Sedikit I/O yang dibutuhkan.

• Sedikit memori yang dibutuhkan.

• Respon yang lebih cepat.

• Dapat melayani lebih banyak pengguna.

Ada tiga kemungkinan kasus yang dapat terjadi pada saat dilakukan pengecekan pada halaman yang dibutuhkan, yaitu: halaman ada dan sudah berada di memori-statusnya valid ("1"); halaman ada tetapi masih berada di disk atau belum berada di memori (harus menunggu sampai dimasukkan)-statusnya tidak valid ("0"). Halaman tidak ada, baik di memori maupun di disk (invalid reference).

Gambar 2 Tabel halaman untuk skema bit valid dan tidak valid

Pengaturan bit dilakukan dengan:

Bit=1 berarti halaman berada di memori.

Bit=0 berarti halaman tidak berada di memori.

Apabila ternyata hasil dari translasi, bit halaman bernilai 0, berarti kesalahan halaman terjadi. Kesalahan halaman adalah interupsi yang terjadi ketika halaman yang diminta tidak berada di memori utama. Proses yang sedang berjalan akan mengakses tabel halaman untuk mendapatkan referensi halaman yang diinginkan. Kesalahan halaman dapat diketahui dari penggunaan skema bit valid-tidak valid. Bagian inilah yang menandakan terjadinya suatu permintaan halaman (demand paging). Jika proses mencoba mengakses halaman dengan bit yang diset tidak valid maka akan terjadi kesalahan halaman. Proses akan terhenti, sementara halaman yang diminta dicari di disk.

Penanganan Kesalahan Halaman

Penanganan kesalahan halaman dapat dituliskan sebagai berikut:

• CPU mengambil instruksi dari memori untuk dijalankan. Lakukan pengambilan instruksi dari halaman pada memori dengan mengakses tabel halaman. Pada tabel halaman bit terset tidak valid.
• Terjadi interupsi kesalahan halaman, maka interupsi itu menyebabkan trap pada sistem operasi.
• Jika referensi alamat yang diberikan ke sistem operasi ilegal atau dengan kata lain halaman yang ingin diakses tidak ada maka proses akan dihentikan. Jika referensi legal maka halaman yang diinginkan diambil dari disk.
• Halaman yang diinginkan dibawa ke memori fisik.
• Mengatur ulang tabel halaman sesuai dengan kondisi yang baru. Jika tidak terdapat ruang di memori fisik untuk menaruh halaman yang baru maka dilakukan penggantian halaman dengan memilih salah satu halaman. Penggantian halaman dilakukan menurut algoritma tertentu yang akan dibahas pada bab selanjutnya. Jika halaman yang digantikan tersebut sudah dimodifikasi oleh proses maka halaman tersebut harus ditulis kembali ke disk.
• Setelah halaman yang diinginkan sudah dibawa ke memori fisik maka proses dapat diulang.

Kesalahan halaman menyebabkan urutan kejadian berikut:

1. Ditangkap oleh Sistem Operasi.

2. Menyimpan register pengguna dan proses.

3. Tetapkan bahwa interupsi merupakan kesalahan halaman.

4. Periksa bahwa referensi halaman adalah legal dan tentukan lokasi halaman pada disk.

5. Kembangkan pembacaan disk ke frame kosong.

6. Selama menunggu, alokasikan CPU ke pengguna lain dengan menggunakan penjadwalan CPU.

7. Terjadi interupsi dari disk bahwa I/O selesai.

8. Simpan register dan status proses untuk pengguna yang lain.

9. Tentukan bahwa interupsi berasal dari disk.

10. Betulkan tabel halaman dan tabel yang lain bahwa halaman telah berada di memori.

11. Tunggu CPU untuk untuk dialokasikan ke proses tersebut

12. Kembalikan register pengguna, status proses, tabel halaman, dan meneruskan instruksi interupsi.

Gambar 3 Gambaran pada saat penanganan kesalahan halaman

Pada berbagai kasus, ada tiga komponen yang kita hadapi pada saat melayani kesalahan halaman:

• Melayani interupsi kesalahan halaman
• Membaca halaman
• Mengulang kembali proses

Kelebihan/Kekurangan

Manajemen memori dengan permintaan halaman (demand paging) memiliki kelebihan yang sama dengan manajemen memori dengan pemberian halaman, antara lain menghilangkan masalah fragmentasi eksternal sehingga tidak diperlukan pemadatan (compaction). Selain itu permintaan halaman memiliki kelebihan yang lain, yaitu:

• Memori virtual yang besar. Memori logis tidak lagi terbatas pada ukuran memori fisik. Hal ini berarti bahwa besar suatu program tidak akan terbatas hanya pada ukuran memori fisik tersedia.
• Penggunaan memori yang lebih efisien. Bagian program yang dibawa ke memori fisik hanyalah bagian program yang dibutuhkan sementara bagian lain yang jarang digunakan tidak akan dibawa.
• Meningkatkan derajat multiprogamming. Derajat multiprogramming menunjukkan banyaknya proses yang berada di memori fisik. Dengan penggunaan permintaan halaman maka ukuran suatu program di memori akan lebih kecil mengingat bahwa hanya bagian program yang diperlukan saja yang akan dibawa ke memori fisik. Penggunaan memori yang lebih kecil oleh sebuah proses memberi sisa ruang memori fisik yang lebih besar sehingga lebih banyak proses yang bisa berada di memori fisik. Hal ini berpengaruh pada utilisasi CPU dan throughput (banyaknya proses yang dapat diselesaikan dalam satu satuan waktu) yang lebih besar.
• Penggunaan I/O yang lebih sedikit. Hal ini dapat terjadi karena permintaan halaman hanya membawa bagian yang diperlukan dari suatu program. Penggunaan I/O pada permintaan halaman lebih sedikit dibandingkan dengan manajemen memori lain yang membawa seluruh memori logis sebuah program ke memori fisik.

Permintaan halaman juga memiliki beberapa kekurangan, antara lain:

• Processor overhead. Interupsi kesalahan halaman memberikan kerja tambahan kepada CPU untuk mengambil halaman yang tidak berada di memori fisik pada saat diperlukan.
• Thrashing. Suatu kondisi yang terjadi akibat kesalahan halaman yang melewati batas normal. Akibat dari thrashing adalah CPU lebih banyak mengurusi kesalahan halaman daripada menangani proses itu sendiri. Hal ini dapat menurunkan kinerja dari CPU.

Kinerja Demand paging

Salah satu hal yang menjadi pertimbangan dalam penggunaan permintaan halaman adalah waktu akses memori menjadi lebih lambat akibat perlunya penanganan kesalahan halaman.

Halaman Fault Time

Lamanya waktu untuk mengatasi kesalahan halaman disebut dengan halaman fault time. Ada tiga faktor utama yang mempengaruhi halaman fault time ini, yaitu:

• Melayani interupsi dari kesalahan halaman. Aktivitas yang dilakukan dalam melayani kesalahan halaman ini, yaitu:
• Memberitahu sistem operasi saat terjadinya kesalahan halaman.
• Menyimpan status dari proses bersangkutan.
• Memeriksa apakah referensi halaman yang diberikan legal atau tidak. Bila referensi yang diberikan legal maka dicari lokasi dari halaman tersebut di disk.
• Pembacaan halaman. Aktivitas yang terjadi dalam pembacaan halaman ini, yaitu:
• Menunggu dalam antrian sampai mendapatkan giliran untuk membaca.
• Menunggu disk untuk membaca lokasi yang diminta. Disk melakukan kerja mekanis untuk membaca data sehingga lebih lambat dari memori.
• Mengirim halaman yang diminta ke memori fisik.
• Pengulangan instruksi. Aktivitas yang terjadi untuk mengulangi instruksi ini, yaitu:
• Interupsi proses yang sedang berjalan untuk menandakan bahwa proses yang sebelumnya terhenti akibat kesalahan halaman telah selesai dalam membaca halaman yang diminta.
• Menyimpan status dari proses yang sedang berjalan.
• Membetulkan tabel halaman untuk menunjukkan bahwa halaman yang ingin dibaca sudah ada di memori fisik.
• Mengambil kembali status proses bersangkutan untuk selanjutnya dijalankan di CPU.

Referensi : 

• [Silberschantz2005] Abraham Silberschantz, Peter Baer Galvin & Greg Gagne. 2005. Operating System Concepts. Seventh Edition. John Wiley & Son

• [MDGR2006] Masyarakat Digital Gotong Royong (MDGR). 2006. Pengantar Sistem Operasi Komputer Plus Illustrasi Kernel Linux. http://bebas.vlsm.org/v06/Kuliah/SistemOperasi/BUKU/. Diakses 31 Maret 2012