SISTEMAS OPERACIONAISATSLANDS ROCHA

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA

2INTRODUÇÃO

Idealmente, o que todo programador deseja é dispor de uma memória que seja grande, rápida e volátil;

O gerenciador de memória trata a hierarquia de memórias.

CONCEITOS BÁSICOSEndereço Físico

Endereço visto pela unidade de memória.Endereço Lógico

Gerado pela CPU; Também conhecido como endereço virtual.

O programa do usuário lida com endereço lógico Nunca trata os endereços físicos reais.

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIAMemory Management Unit (MMU);Dispositivo de hardware que mapeia

endereços virtuais para endereços físicos.

ESQUEMAS DE GERENCIAMENTO DE MEMÓRIAGerenciamento básico de memória;Troca de processos;Memória virtual;Algoritmos de substituição de páginas;Segmentação.

6GERENCIAMENTO BÁSICO DE MEMÓRIA MONOPROGRAMAÇÃO SEM TROCA DE PROCESSOS OU PAGINAÇÃO

Três maneiras simples de organizar a memória Um sistema operacional e um processo de usuário.

7MULTIPROGRAMAÇÃO COM PARTIÇÕES FIXAS

Partições fixas de memóriaa) Filas de entrada separadas para cada partição;b) Fila única de entrada.

MULTIPROGRAMAÇÃO COM PARTIÇÕES FIXAS Número, tamanho e a localização das partições

são fixas; Vantagens:

Alocação e liberação simples de memória; Gerenciamento de trocas de processos simples.

Desvantagens: Blocos podem ser grandes ou pequenos para

acomodar os processos; Reflexão: E se o processo crescer durante a

execução?!

9RELOCAÇÃO E PROTEÇÃO

Não se sabe com certeza onde o programa será carregado na memória Localizações de endereços de variáveis e de código de

rotinas não podem ser absolutos.

Uma possível solução Instruções do programa são modificadas segundo a

partição de memória em que ele será carregado.

Uma solução para relocação e proteção: Uso de valores base e limite.

RELOCAÇÃO E PROTEÇÃO

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA Partição fixa é simples e eficiente para organizar

sistemas em lote; Solução para o tempo compartilhado é diferente

porque não há memória suficiente para todos os processos ativos: Troca de processos; Memória virtual.

12TROCA DE PROCESSOS (PARTIÇÕES VARIÀVEIS)

Alterações na alocação de memória à medida que processos entram e saem da memória;

Regiões sombreadas correspondem a regiões de memória não utilizadas naquele instante.

TROCA DE PROCESSOS (PARTIÇÕES VARIÀVEIS) Vantagens:

Alocação dinâmica da memória e mais eficiente em relação a espaço;

Desvantagens: Alocação e liberação de memória mais complexa.

Possibilidade de uso de compactação de memória Custo computacional alto; Não é muito usado.

Reflexão: E se o processo crescer durante a execução?!

14TROCA DE PROCESSOS

a) Alocação de espaço para uma área de dados em expansão

b) Alocação de espaço para uma pilha e uma área de dados, ambos em expansão

TROCA DE PROCESSSOS Consiste em:

Trazer TOTALMENTE cada processo para a memória;

Executar o processo durante um certo tempo; Devolve o processo para o disco.

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TROCA DE PROCESSOS(SWAPPING)

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TROCA DE PROCESSOS(SWAPPING)

Swapping: movimento de processos da memória principal para o disco e vice-versa

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TROCA DE PROCESSOS(SWAPPING)

Swap out: memória principal - disco Swap in: disco – memória principal

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TROCA DE PROCESSOS(SWAPPING) O principal objetivo é que a execução do processo

continue O disco deve ser rápido e grande para obter bom

desempenho. Maior parte do tempo de troca de processos é

tempo de transferência Tempo total de transferência é diretamente

proporcional à quantidade de memória transferida. Versões modificadas de swapping são

encontradas em muitos sistemas (UNIX e Windows).

20GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA COM MAPAS DE BITS

a) Parte da memória com 5 segmentos de processos e 3 segmentos de memória livre

Regiões brancas denotam as unidades já alocadas (bit 1); Regiões sombreadas denotam segmentos livres (bit 0).

b) Mapa de bits correspondentec) Mesmas informações em uma lista encadeada

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA COM MAPAS DE BITSAlgumas considerações:

Quanto menor a unidade de alocação, maior o mapa de bits;

Quanto maior a unidade de alocação, menor o mapa de bit, mas haverá mais desperdício na alocação para processos;

Problemas: Para carregar um processo na memória de k

unidades, o MMU precisa procurar no mapa de bits uma sequência de k bits 0´s consecutivos Torna lento.

22GERENCIAMENTO DE MEMÓRIACOM LISTAS ENCADEADAS

Quatro combinações de vizinhança para o processo X em término de execução

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIACOM LISTAS ENCADEADAS Vantagens:

Simples e rápido atualizar a lista de segmentos de memória (vizinhos).

Algoritmos para alocação de segmentos livres:

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIACOM LISTAS ENCADEADAS

First-Fit (o primeiro que couber) Dois segmentos: Processo + Resto livre; Mínimo de pesquisa na lista.

Best-Fit (o melhor que couber) Deve procurar na lista inteira; Produz alocação com o maior desperdício que o

First-Fit (pequenos e inúteis). Worst-Fit (o pior que couber)

Deve procurar na lista inteira;Não é uma boa idéia.

GERENCIAMENTO DE MEMÓRIACOM LISTAS ENCADEADAS Possibilidade de se manter uma lista encadeada

para memórias livres e outra para memórias ocupadas Buscas por espaço livre ficam mais rápidas; Complexidade do gerenciamento aumenta; Desalocamento de memória fica mais complicado

(retirada de uma lista e inserção em outra).

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FRAGMENTAÇÃO Fragmentação Externa

Memória total que existe para satisfazer uma requisição, mas é não contíguo;

Muitas vezes o processo não pode ser alocado apesar de haver memória “disponível”;

Reduzida com compactação de memória. Fragmentação Interna

A memória alocada geralmente é maior que a memória requerida, pois usa-se tamanhos fixos;

Apenas espaços requeridos que são múltiplos dos blocos fixos livres não desperdiçariam espaço;

Esta diferença que não está sendo utilizada é a fragmentação interna.

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FRAGMENTAÇÃO EXTERNA

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FRAGMENTAÇÃO INTERNA

MEMÓRIA VIRTUAL Um ÚNICO processo pode ser maior que a

memória física disponível Troca de processos entre memória e disco seria

insuficiente. Solução - memória virtual: Divide-se o processo

em partes (código + dados + pilha) e mantém na memória as partes em execução naquele momento Diferente da troca de processos memória-disco; Possível com a multiprogramação também.

MEMÓRIA VIRTUALPAGINAÇÃO Técnica usada pela maioria dos SO para

implementar a memória virtual; Aumenta o tamanho da memória física através

do uso de uma memória “virtual” (disco); O espaço físico de endereçamento não precisa ser

contíguo; Conceitos envolvidos: Espaço de endereçamento Virtual; Espaço de endereçamento Físico; Unidade de Gerenciamento de Memória (MMU);

31MEMÓRIA VIRTUALPAGINAÇÃO

Localização e função da MMU

PAGINAÇÃO Divide a memória física em molduras de páginas

(frames) de tamanho fixo; Divide a memória lógica em páginas virtuais de

tamanho fixo; Páginas e molduras de páginas são sempre de

tamanhos iguais; Há uma quantidade menor de molduras de

páginas (menor memória física); Transferência entre memória e disco em

unidades de páginas. MMU traduz o endereço virtual em endereço

físico;

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Tabela de páginas : mapeamento de 64K de memória virtual em 32K de memoria física. Páginas de 4K.

MEMÓRIA VIRTUAL - PAGINAÇÃO

PAGINAÇÃO

Para executar um programa com N páginas, basta encontrar N blocos livres na memória Páginas são carregadas em qualquer bloco livre.

PAGINAÇÃOEXEMPLO Características do sistema:

Memória Física: 64 KB; Tamanho processo : 32 KB; Páginas e frames de páginas: 4 KB.

Paginação: N° de frames de páginas: 64/8 = 16 N° de páginas do processo: 32/8 = 8

36TABELAS DE PÁGINAS

Operação interna de uma MMU com 16 páginas de 4KBBit ativo/inativo

TAMANHO DAS PÁGINAS A tabela de página é mantida na memória

principal; Tamanho da página é imposto pela MMU; Páginas pequenas significam:

Processos compostos por mais páginas; Tabelas de páginas maiores; Menos fragmentação interna; Menos programa não usado na memória.

E páginas grandes?

GERÊNCIA DE PÁGINASA gerência da memória deve manter

controle das áreas livres e ocupadas; Inclusão de mecanismos de proteção

Garantir acessos autorizados a uma posição de memória Ex: páginas read-only, read-write (bits de controle)

Inclusão de mecanismos de compartilhamento Permitir que dois ou mais processos dividam uma

área comum (Ex: páginas de código de um editor de texto);

Bit de validade: válido/inválido.

PÁGINA AUSENTESe o processo tentar usar uma página

ausente, causará uma interrupção no SO (page fault): Se referência inválida Þ aborta; Se não está na memória:

Obtém bloco livre na memória; Traz página do disco para o bloco alocado; Atualiza tabela, bit de validação= 1; Reinicia execução da instrução.

E se não houver frames livres??

40ALGORITMOS DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINASA falta de página força uma escolha

Qual página deve ser removida? Alocação de espaço para a página a ser trazida

para a memória.

A página modificada deve primeiro ser salva Se não tiver sido modificada é apenas sobreposta;

Melhor não escolher uma página que está sendo muito usada Provavelmente precisará ser trazida de volta logo.

41O ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃODE PÁGINA ÓTIMO

Substitui a página que não será usada pelo maior período de tempo;

Cada página deve ser rotulada com o número de instruções a seguir que serão executadas antes da página ser referenciada pela primeira vez;

Remove-se a página com o maior rótulo O que é melhor: deixar uma página que será usada após 50

instruções ou outra que será usada após 30 instruções? Adia a ocorrência da próxima falta de página o máximo

possível; Fácil de descrever e impossível de implementar

Como saber quando cada página será novamente referenciada?

EXEMPLO : ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃODE PÁGINA ÓTIMO

Com 4 frames de páginas (4 páginas podem estar na memória ao mesmo tempo para cada processo).

123412512345

43O ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINA NÃO USADA RECENTEMENTE (NUR) Cada página tem os bits Referenciada (R) e

Modificada (M) Bits são colocados em 1 quando a página é

referenciada e modificada; As páginas são classificadas

− Classe 0: não referenciada, não modificada;− Classe 1: não referenciada, modificada;− Classe 2: referenciada, não modificada;− Classe 3: referenciada, modificada.

NUR remove página aleatoriamente Da classe de ordem mais baixa que não esteja

vazia.

44ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINA PRIMEIRA A ENTRAR, PRIMEIRA A SAIR

Mantém uma lista encadeada de todas as páginas Página mais antiga na cabeça da lista; Página que chegou por último na memória no final da

lista.Na ocorrência de falta de página

Página na cabeça da lista é removida;Nova página adicionada no final da lista.

Desvantagem: Página há mais tempo na memória pode ser usada com

muita freqüência.

EXEMPLO: ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINA PRIMEIRA A ENTRAR, PRIMEIRA A SAIR Seqüência de Referência: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 4 frames de páginas

46O ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINA MENOS RECENTEMENTE USADA (MRU)

Assume que páginas usadas recentemente logo serão usadas novamente Retira da memória página que há mais tempo não é usada.

Uma lista encadeada de páginas deve ser mantida Página mais recentemente usada no início da lista, menos

usada no final da lista; Atualização da lista à cada referência à memória.

Alternativamente manter contador em cada entrada da tabela de página Escolhe página com contador de menor valor; Zera o contador periodicamente.

EXEMPLO: ALGORITMO DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINA MENOS RECENTEMENTE USADA (MRU) Seqüência de Referência

1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5 Com 4 frames de páginas.

8 páginas ausentes

PAGINAÇÃOCONSIDERAÇÃO FINAL E se um segmento crescer mais que o tamanho da

página? Solução: Uso da segmentação.

SEGMENTAÇÃO Esquemas de gerenciamento de memória que

suportam a visão do usuário/programador Um programa é uma coleção de segmentos,

tipicamente: código, dados alocados estaticamente (e dinamicamente) e pilha.

Um segmento suporta uma única unidade lógica Procedimentos (funções) e bibliotecas.

Endereço físico consiste de duas partes:<número do segmento, posição nesse segmento>

Segmentos não precisam ter o mesmo tamanho; Existe um tamanho máximo de segmento.

50SEGMENTAÇÃO

Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente

51

52IMPLEMENTAÇÃO DE SEGMENTAÇÃO PURA

(a)-(d) Desenvolvimento de fragmentação externa(e) Remoção da fragmentação via compactação

53SEGMENTAÇÃO

Comparação entre paginação e segmentação

SEGMENTAÇÃO COM PAGINAÇÃO Recuperar as vantagens dos dois métodos em

relação a fragmentação: Fragmentação interna: paginação apresenta,

segmentação não; Fragmentação externa: segmentação apresenta,

paginação não. Solução se traduz em paginar segmentos!

Fazer um segmento ser composto por um número fixo de bytes;

Equivale a ter o segmento dividido internamente em blocos.

55SEGMENTAÇÃO COM PAGINAÇÃO

Exemplo: Descritores de segmentos apontam para tabelas de páginas

56

Exemplo: Um endereço virtual de 34 bits

SEGMENTAÇÃO COM PAGINAÇÃO

DÚVIDAS?!