থ্র্যাশিং ও ওয়ার্কিং সেট মডেল

১ · থ্র্যাশিং কী ও কেন ঘটে

L32-এ আমরা দেখেছি পেজ ফল্টের খরচ কতটা বিশাল (ডিস্ক I/O)। এখন কল্পনা করুন — একসাথে অনেকগুলো প্রসেস চলছে, কিন্তু মিলিতভাবে তাদের যতগুলো ফ্রেম এখন সক্রিয়ভাবে দরকার ফিজিক্যাল মেমরিতে ততগুলো ফ্রেমই নেই। প্রতিটি প্রসেস বারবার তার নিজের প্রয়োজনীয় পেজ হারায় (অন্য কোনো প্রসেসের জন্য জায়গা করতে গিয়ে সরিয়ে দেওয়া হয়), আর তারপর প্রায় সাথে সাথেই আবার সেই পেজেই ফল্ট ঘটিয়ে ফেরত আনতে বাধ্য হয়। একেই বলে থ্র্যাশিং (Thrashing)Thrashingএকটি গুরুতর পারফরম্যান্স ধস, যেখানে প্রসেস প্রকৃত কাজের চেয়ে বেশি সময় ব্যয় করে পেজ ফল্ট হ্যান্ডলিং (সোয়াপ ইন/আউট)-এ, কারণ মিলিতভাবে যথেষ্ট ফ্রেম নেই। — একটি গুরুতর পারফরম্যান্স ধস, যেখানে সিস্টেম প্রকৃত কাজের চেয়ে বেশি সময় ব্যয় করে ফেলে শুধু পেজ সোয়াপ ইন/আউট করতেই।

২ · একটি ঐতিহাসিক ভুল — CPU ইউটিলাইজেশন প্যারাডক্স

এটি OS ডিজাইনের ইতিহাসে একটি বিখ্যাত, বাস্তব শিক্ষা। কিছু early scheduler কম CPU ইউটিলাইজেশন দেখে ধরে নিত যে সিস্টেমে "আরও কাজের জায়গা" আছে — তাই তারা আরও বেশি প্রসেস চালু করে দিত মাল্টিপ্রোগ্রামিং ডিগ্রি বাড়িয়ে। কিন্তু বাস্তবে সমস্যা ছিল উল্টো — প্রসেসগুলোর যথেষ্ট ফ্রেম ছিল না, তাই CPU অলস ছিল থ্র্যাশিংয়ের কারণে। আরও প্রসেস যোগ করায় প্রতিটি প্রসেসের ভাগে আরও কম ফ্রেম পড়ত, ফল্ট আরও বাড়ত, আর CPU ইউটিলাইজেশন আরও কমে যেত — একটি দুষ্টচক্র (vicious cycle)।

৩ · ওয়ার্কিং সেট মডেল

থ্র্যাশিং প্রতিরোধের একটি প্রমিত ধারণা হলো ওয়ার্কিং সেট মডেল (Working Set Model)Working Set Modelপ্রতিটি প্রসেসের সাম্প্রতিক Δ সময়ের মধ্যে অ্যাক্সেস করা স্বতন্ত্র পেজের সেট ট্র্যাক করে তার জন্য যথেষ্ট ফ্রেম নিশ্চিত করার মডেল। — প্রতিটি প্রসেসের জন্য তার ওয়ার্কিং সেট ট্র্যাক করা: একটি নির্দিষ্ট সাম্প্রতিক সময়-উইন্ডো Δ-এর মধ্যে সেই প্রসেস যেসব স্বতন্ত্র পেজ অ্যাক্সেস করেছে, তাদের সেট। ধারণাটি হলো — একটি প্রসেসকে ভালোভাবে চালাতে হলে তার ওয়ার্কিং সেটের সমান (বা তার বেশি) ফ্রেম তাকে দিতেই হবে; কম দিলে সেই প্রসেস ক্রমাগত ফল্ট ঘটাবে (thrashing-এর একটি লক্ষণ)।

OS তখন সব প্রসেসের ওয়ার্কিং সেটের সমষ্টি হিসাব করে দেখে — যদি এই সমষ্টি মোট ফিজিক্যাল ফ্রেমের চেয়ে বেশি হয়ে যায়, তাহলে সবাইকে সমান ভাগে ভাগ করার চেষ্টা না করে OS-এর উচিত একটি বা একাধিক প্রসেসকে সম্পূর্ণ সাসপেন্ড করা (তার সব ফ্রেম সাময়িকভাবে খালি করে) — যতক্ষণ না বাকি প্রসেসগুলোর জন্য যথেষ্ট মেমরি ফাঁকা হয়।

৪ · কোডে: ওয়ার্কিং সেটের আকার সময়ের সাথে কীভাবে বদলায়

নিচের কোড সেলে একটি working_set() ফাংশন — একটি রেফারেন্স স্ট্রিং, একটি বর্তমান সময় (current_time) ও একটি উইন্ডো সাইজ Δ দিলে সেই উইন্ডোর মধ্যে থাকা স্বতন্ত্র পেজের সেট রিটার্ন করে। রেফারেন্স স্ট্রিংটি ইচ্ছাকৃতভাবে তিনটি ভিন্ন "পর্যায়ে" ভাগ করা — প্রথমে সংকীর্ণ locality (মাত্র ২টি পেজের মধ্যে ঘোরাফেরা), মাঝে বিক্ষিপ্ত অ্যাক্সেস (৬টি ভিন্ন পেজ পরপর), শেষে আবার সংকীর্ণ locality — যাতে ওয়ার্কিং সেটের আকার বাড়া-কমা স্পষ্ট দেখা যায়।

# ওয়ার্কিং সেট ট্র্যাকার -- বাস্তব প্রসেস নয়, একটি টয় রেফারেন্স স্ট্রিং-এর ওপর সিমুলেশন

def working_set(reference_string, current_time, delta):
    """current_time পর্যন্ত (সহ) সাম্প্রতিক delta-টি অ্যাক্সেসের মধ্যে থাকা স্বতন্ত্র পেজের সেট।"""
    start = max(0, current_time - delta + 1)
    window = reference_string[start:current_time + 1]
    return set(window)


# পর্যায় ১ (সংকীর্ণ locality) -> পর্যায় ২ (বিক্ষিপ্ত, খারাপ locality) -> পর্যায় ৩ (আবার সংকীর্ণ)
reference_string = [1, 2, 1, 2, 1, 2,      # পর্যায় ১ -- শুধু পেজ 1, 2
                     3, 4, 5, 6, 7, 8,      # পর্যায় ২ -- ৬টি ভিন্ন পেজ, কোনো পুনরাবৃত্তি নেই
                     3, 4, 3, 4, 3, 4, 3, 4]  # পর্যায় ৩ -- আবার সংকীর্ণ, পেজ 3, 4

DELTA = 4  # উইন্ডো সাইজ -- সাম্প্রতিক ৪টি অ্যাক্সেস বিবেচনা করা হবে

checkpoints = [5, 8, 11, 15, 19]

print(f"রেফারেন্স স্ট্রিং: {reference_string}")
print(f"উইন্ডো সাইজ (Δ): {DELTA}\n")

for t in checkpoints:
    ws = working_set(reference_string, t, DELTA)
    print(f"সময় t={t:2d} (এই মুহূর্তে অ্যাক্সেস: পেজ {reference_string[t]}) "
          f"-> ওয়ার্কিং সেট = {sorted(ws)}, আকার = {len(ws)}")