s.o - tema 4 - gestión de memoria
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Capítulo con contenido sobre la gestión de memoria de un sistema operativo, los procesos llevados a cabo para su gestión, y su implementación.TRANSCRIPT
7/17/2019 S.O - Tema 4 - Gestión de Memoria
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Fichero EjecutableNúmero mágico Despl. Tam.0
Formato del ejecutable
Cabecera on a or e programa n c a
Tabla de secciones
Código
Datos con valor inicial
.................... Datos con v.i.
Datos sin v.i.
...................... ........ ........
T. Símbolos
5000------
8000
1000
500
1000
1000
5000
Secciones
Tabla de símbolo s
. . . . . . . . . . . . . . . .
8000
ELF (executable and linking format)
Creación del mapa del ejecutable
mapa del sistema
MemoriaMemoria
Reubicación estática
LOAD R1, #11000
LOAD R2, #12000LOAD R3, /11500LOAD R4, [R1]STORE R4, [R2]INC R1INC R2
10000
100041000810012100161002010024
LOAD R1, #1000LOAD R2, #2000LOAD R3, /1500LOAD R4, [R1]STORE R4, [R2]INC R1INC R2DEC R3JNZ /12.................
04812162024283236....
JNZ /10012.................
1003210036..........Sistema Operativo
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3
Reubicación dinámica
LOAD R1, #1000LOAD R2, #2000LOAD R3, /1500LOAD R4, [R1]STORE R4, [R2]
Memoria
1000010004100081001210016
Procesador
HW traducción
1150010000
PC8
INC R1INC R2DEC R3JNZ /12.................
1002010024100281003210036..........
R. Instrucción
LOAD R3, /1500 +
1500
Tema 5: Gestión de Memoria• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificial
Paginación
Segmentación
. . – Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
Gestor de memoria: Particiones Particiones Fijas (MFT)
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Particiones variables (MVT)
OS OS OS OS
process 5
process 8
process 2
process 5
process 2
process 5
process 2
process 5
process 9
process 2
process 9
process 10
MVT: Algoritmos de asignación
Satisfacer una petición de entre n_huecos libres:
• First-fit: Asigna el primer hueco lo
suficientemente grande.
• Best-fit: Asigna el hueco que mejor se ajusta
al tamaño del proceso. (gestión de huecos
pequeños).
- .Búsqueda en la lista entera
First-fit y best-fit mejores que worst-fit
Proceso de compactación Manejo de memoria con mapas de bits
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Método de los colegas
Tema 5: Gestión de Memoria• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificial
Paginación
Segmentación
. . – Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
Espacio lógico Vs espacio físicoTranslación de direcciones
(Paginación)
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MMUImplementación tabla de páginas
•Tabla de páginas en registros, memoria
asociativa.
• (PTBR) en memoria.
• Métodos híbridos
Implementación de la Tabla de Páginas Reducción de la TP
Dirección lógica de 32 bits (Tamaño de página
de 4K :
• Jerarquizar la dirección de página
–Número de página de 20 bits.
–Offset de 12 bits.
• a a e p g nas nvert a
• “Tabla de páginas en MV”
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Esquema de dos niveles de TP
(1/3) Esquema de n- niveles de TP (2/3)
Tabla de páginas: hash e
invertida (3/3)Compartición de páginas
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Tema 5: Gestión de Memoria• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificial
Paginación
Segmentación
. . – Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
Segmentación
• Esquema que soporta el modelo de región
• Un programa es una colección de segmentos. Un segmento es
una unidad lógica que puede ser:
programa principal,
procedure,
función,
variables locales, variables globales,
p a,tabla de símbolos
Estructura datos para un proceso (1/3)
per process
u area
region tableKernel region table
main memoryKernel
process table
Regiones (2/3)
Per Proc Region Tables
Virtual Addresses)
Region
8K
16K
32K
b
a
c
e
4K
Text
Data
Stack
Text
Process
A
Process
d
e
32K
Data
Stack
B
<Processes and Regions>
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Páginas y tabla de páginas (3/3)
8KText
Per Proc Region Table
Page Tables Physical Addresses)
32K
64K
Data
Stack
541K
783K
986K
897K
87K
552K
727K
941K
137K
852K
764K
.
.
.
.
.
1096K
433K
333K
Virtual Addresses
.
.
.
2001K
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
<Mapping Virtual Addresses t o Physical Address>
Visión lógica de la segmentación
1
1
3
2
4
4
2
3
Espacio de usuario Espacio físico de memoria
Traducción de direcciones Dirección lógica => Dirección física
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Compartición de Segmentos Traslación de direcciones en MULTICS
Tema 5: Gestión de Memoria
• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificialPaginación
Segmentación
. .
– Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
Programas e.d. Mayor que la MP
, , ,
• Overlay
• Carga dinámica
• Enlace dinámico
Memoria Virtual
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Overlay
instrucciones y datos que son requeridas en cada
momento.
• Implementado por el usuario, no necesita soporte
del S.O., (linker) estructura de overlays compleja.
• Todas las secciones del mismo nivel recubribles
entre si tendrán la misma dirección origen
Ensamblador de dos pasos
Carga dinámica
• Una rutina no es cargada hasta que no es
• Rutinas no utilizadas no se cargan
• No requiere soporte del S.O.
Enlace dinámico
• Concepto similar al de carga dinámica
• Se pospone el enlace hasta tiempo de ejecución
• En el programa se almacena la referencia ( stub,
dirección de un programa que localiza la rutina
• Carga sólo una vez de la rutina
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Tema 5: Gestión de Memoria• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificial
Paginación
Segmentación
. . – Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
Memoria Virtual
Bit validezManejo de Page Faults
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* Page Fault Rate 0 p 1.0
- if = 0 no fallos de á ina
Costo de los fallos de página
- if p = 1, cada referencia es un fallo
* Tiempo de acceso efectivo (EAT)
EAT = (1 – p) x memory access
+ p (page fault overhead
+ [swap page out ]
+ swap page in+ restart overhead)
* Tiem o de acceso a memoria = 1 microse undo
Ejemplo de cálculo de PF
* 50% del tiempo la página que está siendo
reemplazada ha sido modificada y hay que
swapped-out
* Swap Page Time = 10 msec = 10,000 msec
EAT = (1 – p) x 1 + p (15000)1 + 15000P (in msec)
Problema del Restart/Continuar (1/2)
ADD A, B, C
1.- Búsqueda de la instrucción
2.- Búsqueda del operando A3.- Búsqueda del operando B
.- uma
5.- Almacenamiento en C
Problema del Restart/Continuar (2/2)
modificar múltiples direcciones?
• Movem
• ove , -
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Necesidad de reemplazamiento (1/2) Necesidad de reemplazamiento (2/2)
Dos políticas definen el funcionamiento del sistema de memoria
Algoritmos de reemplazamiento
• Política de reemplazos: – Reemplazo local: Sólo puede usarse para reemplazo un marco
asignado al proceso que causa fallo – Reemplazo global: Puede usarse para reemplazo cualquier marco
• Política de asi nación de es acio a los rocesos: – Asignación fija: El número de marcos de página para cada proceso
es fijo. – Asignación dinámica: El número de marcos de página para cada
proceso es dinámico
Algoritmos de reemplazamiento
1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5.
Objetivo: al aumentar el número de páginas, disminuye el
número de fallos.
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• Objetivo: Minimizar la tasa de fallos de página.
Políticas de reemplazo
• Cada algoritmo descrito tiene versión local y global: – Local: criterio se aplica a las páginas residentes del proceso – Global: criterio se aplica a todas las páginas residentes
• Algoritmos a estudiar A. FIFO
B. ÓptimoC. LRUD. Reloj (o segunda oportunidad)E. Buffering de páginasF. Retención de páginas en memoria
• Implementación: Fácil
Algoritmo FIFO
– Páginas residentes en orden FIFO –› se expulsa la primera – No requiere hardware especial – En el caso de estrategia local se mantiene una lista de páginas por
cada proceso. En el caso global, basta con una única lista
• Problema:
– accediéndose frecuentemente. – Su criterio no se basa en el uso de la página. – Anomalía de Belady: Se pueden encontrar ejemplos en que al
aumentar el número de marcos aumenta el número de fallos depágina
Anomalía de Belady Algoritmo óptimo
• Criterio: Página residente que tardará más en accederse• mp emen ac n: rrea za e, ya que supone sponer e una
predicción fiable del uso de las páginas en un futuro a medio plazo• Versión local y global
• Interés para estudios analíticos comparativos
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• Criterio: Basado en proximidad temporal de referencias: página
Algoritmo LRU (last recently used)
• Implementación:Posible implementación con HW específico y un Nota:
en su versión global, hay que considerar los contadores de las páginasmenos recientemente usadas teniendo en cuenta el tiempo lógico decada proceso
Se trata de una modificación del algoritmo FIFO, para evitar que una páginaresidente desde hace tiem o sea desalo ada ese a estar siendo usada. Para
Algoritmo de segunda oportunidad o del reloj
ello se usa el bit de referencia Ref de las páginas, con lo que se detecta suuso
• Criterio: – Si la página elegida por FIFO no tiene activo el bit Ref, es la página
expulsada – Si lo tiene activo se da 2ª oportunidad antes de expulsar: se desactiva el
e , se pone p g na a na e , se ap ca cr er o a a s gu en epágina
• Implementación: Se puede implementar el orden FIFO mediante una listacircular con una referencia a la primera página de la lista: se visualiza comoun reloj donde la referencia a la primera página es la aguja del reloj
Algoritmo del reloj Otros algoritmos de reemplazo
•LFU
•MFU
• Algoritmos combinados (clases de
páginas)
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• Criterio:Esta técnica intenta evitar el problema con las páginasmodificadas.
Buffering de páginas
• Implementación: – Mantiene una reserva de marcos libres. Cuando se produce un fallo de
página, siempre se usa un marco libre (es decir, en verdad no hayreemplazo)
– Cuando el número de marcos libres queda por debajo de cierto umbralse activa un “demonio de paginación”, que aplica repetidamente elalgoritmo de reemplazo:
• Páginas no modificadas pasan a lista de marcos libres
• Páginas modificadas pasan a lista de marcos modificados: cuandose escriban a disco pasan a lista de libres; suelen escribirse en tandas(lo que mejora el rendimiento)
– Si se referencia una página mientras está en estas listas: se recuperadirectamente de la lista (no hay E/S), lo que puede mejorar elcomportamiento de algoritmos poco eficientes
• Criterio:No todas las páginas son reemplazables
Retención de páginas en memoria
• Aplicación: – Se aplica a páginas del propio S.O: si sus páginas están fijas en
memoria, su gestión es más sencilla – También se aplica mientras se hace DMA sobre una página. La
página no será reemplazable hasta que finalice la operación sobreella
• Implementación: Algunos S.O. ofrecen a las aplicaciones un serviciopara fijar en memoria una o más páginas de su mapa: adecuadopara procesos de tiempo real, aunque puede afectar al rendimientodel sistema. En POSIX se trata del servicio ml ock
El SO deberá decidir cuántos marcos de página asigna a cada proceso:a) Asignación Fija
Política de asignación de marcos de página
b) Asignación Dinámica A) Asignación fija
• Número constante de marcos asignados al proceso. Puededepender de las características del proceso: tamaño, prioridad,...• No se adapta a las distintas fases de ejecución. Como positivo, el
com ortamiento del roceso es relativamente redecible• Sólo tiene sentido usar estrategia de reemplazo local
• La arquitectura impone el Nº mínimo de marcos de página:mínimo número de marcos a asignar igual al número de referenciasque aparezca en la instrucción que más fallos de página puedagenerar
• El número de marcos asi nados a un roceso es variable
B) Asignación dinámica
Política de asignación de marcos de página
dependiendo del comportamiento del proceso (y posiblemente de losdemás procesos).
• Se adapta a las diferentes fases por las que puede pasar un proceso
• Se pueden usar tanto estrategias de reemplazo global como local.
– Asignación dinámica + reemplazo local: el proceso va aumentando
comportamiento (comportamiento relativamente predecible)
– Asignación dinámica + reemplazo global: los procesos compitenpor el uso de las páginas entre ellos (comportamiento difícilmentepredecible)
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• Definición:Tasa excesiva de fallos de página de un proceso o en el sistema,debido a que el número de marcos de página asignados es insuficiente para
Hiperpaginación (thrashing)
– Con asignación fija. Hiperpaginación en el proceso Pi siconjunto residente de Pi < conjunto de trabajo Pi
– Con asignación variable. Hiperpaginación en el sistema sinº marcos disponibles < conjuntos de trabajo de los procesos
• Problema: decae el grado de uso de la CPU. Los procesos están casi siempreen colas de dispositivo de paginación.• Solución: controlar la carga:
– Disminuir el grado de multiprogramación, – Suspender uno o más procesos liberando sus páginas residentes
• ¿Cómo detectar esta situación?
P
Hiperpaginación (thrashing)
U t i l i z a c i ó n d e l a U C
grado de multiprogramación
Se verán a continuación algunas estrategias de control de la carga de trabajo:
A. Estrategia del conjunto de Trabajo
B. Estrategia de administración basada en la frecuencia de fallos de página
C. Estrategia de control de carga para algoritmos de reemplazo globales
Tema 5: Gestión de Memoria
• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificial
Paginación
Segmentación
. .
– Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
Localidad
• Denning (68)
- Localidad espacial /temporal
- Referencias localizadas
- un programa evoluciona de localidad en localidad
{Páginas} que hace referencia activa
Balance set
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Patrón de accesoEstrategia del conjunto de trabajo
• Objetivo: Determinar el conjunto de trabajo de cada proceso, es decir, laspáginas usadas por el proceso en las últimas N referencias
• Proceso: – Si el conjunto de trabajo decrece se liberan marcos. – Si el conjunto de trabajo crece se asignan nuevos marcos. – Si no hay marcos disponibles se suspenderá algún(os) proceso(s), que se
reactivan cuando haya marcos suficientes
• Condición: Si el SO es capaz de detectar el conjunto de trabajo de cada,
reemplazo local
• Implementación: Difícil, ya que precisaría una MMU específica que controlaralas páginas accedidas por cada proceso.
• Aproximación: Estrategia basada en frecuencia de fallos de página (PFF),controlando la tasa de fallos de página de cada proceso
Modelo de Working-Set
• working-set window número fijo de páginas
referenciadas
Example: 10,000 instruciones
• WSSi (working set of Process Pi) =
número total de páginas referenciadas en (varía en el
tiempo) – if demasiado pequeño no cabe la localidad
– if demasiado largo varias localidades
–
Implementación del Working Set
•
• Ejemplo: = 10,000
– Timer interrumpe cada 5000 unidades de tiempo.
– Guarda en memoria 2 bits for cada página. – Cuando el timer interrumpe copia and fija los valores
de todos los reference bits a 0.
– Si uno de los bits = 1 a e in workin set.
• Porqué no es del todo exacto?
• Mejora = 10 bits y una interrupción cada 1000 unidades de
tiempo.
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Frecuencia de Fallo de Página (PFF)
• Establece “aceptable” page-fault rate.
– If actual rate demasiado bajo, proceso pierde frame.
– If actual rate demasiado alto, proceso gana frame.
Control de carga y reemplazo global
• Algoritmos de reemplazo global no controlan hiperpaginación
–
– Necesitan cooperar con un algoritmo de control de carga
• Ejemplo: UNIX 4.3 BSD
– Reemplazo global con algoritmo del reloj
Variante con dos “manecillas”
– Uso de buffering de páginas
“ ” º
– Si número de marcos libres < umbral
“demonio de paginación” aplica reemplazo
– Si se repite con frecuencia la falta de marcos libres:
Proceso “swapper” suspende procesos
Otras consideraciones (1/3)
• Prepaginación
• Tamaño de la página
– fragmentación – Tamaño de la tabla
– I/O overhead
– localidad
• Estructura del programa
Otras consideraciones (2/3)
– int A[][ ] = n ew int[1024][1024];
– Cada fila es almacenada en una página
– Program 1 for (j = 0; j < A.length; j++)
for (i = 0; i < A.length; i++) A[i ,j] = 0;
1024 x 1024 page faults
– Program 2 for (i = 0; i < A.length; i++)
for (j = 0; j < A.length; j++)
A[i ,j] = 0;
1024 page faults
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• ¿En qué consiste? – Recordemos que en un sistema con MV se hacen corresponder las
Otras consideraciones:
Archivos proyectados en memoria (2/3)
entradas de la TP con bloques de un archivo ejecutable. – La técnica de la proyección permite usar esta misma idea, pero
con cualquier archivo. – El S.O. permite que un programa solicite la correspondencia de
una zona de su mapa de memoria con los bloques de un archivocualquiera (ya sea completo o en parte).
– En la solicitud el programa indicará el tipo de acceso que desea
para las páginas asociadas al archivo.• Servicio:
– La generalización de la técnica de memoria virtual permite ofrecera los usuarios una forma alternativa de acceder a losarchivos.
Mapa de memoria
Código
Archivos proyectados en memoria
Tabla de páginas
...........................Bloque 0 (arch.)RW A
Bloque N (arch.)RW A
...........................
........................... Archivo
Bloque 0
Bloque 1
Bloque 2
Bloque N
Bloque 2
.............
10240
Datos con valor inicial
Datos sin valor inicial
Pila
Archivo Proyectado
1ªpág.Archivo
Última pág.Archivo
Menos llamadas al sistema lo que se traduce en una notable mejora de los
tiempos de acceso.
Se evitan copias intermedias de la información ya que el S.O. transfiere
directamente la información entre la región de memoria y el archivo.
Se facilita la programación, ya que una vez proyectado se accede al archivo
como si fuera una estructura de datos en memoria
Gestión de memoria Linux
• Incluye todas características habituales en sistemas modernos:
– Memoria virtual
– Mapa del proceso dinámico
– Bibliotecas dinámicas
– Archivos proyectados
• Modelo de memoria independiente del procesador
– Paginación con tres niveles
– Capa inferior adapta HW real a este modelo
• Dispositivos y archivos como soporte de mem. secundaria
• Algorimo de reemplazo: versión modificada del reloj
• Gestión de mem. dinámica del S.O. mediante versión de buddy
Tema 5: Gestión de Memoria
• Introducción
• Gestores de memoria todo e.d. en MP
– Ed. Contígüo
MFT / MVT
– Contigüidad artificial
Paginación
Segmentación
. .
– Overlay, carga dinámica, enlace dinámico
• Memoria Virtual
– Implementación
– Modelo de WS y PFF
• Ejemplos Unix/W_NT
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22
Modelo de memoria de un objeto W_NT (1/3)
00000000
Modousuario
Únicopor
proceso
Programasde
usuario
7FFFFFFF80000000
Modousuario
Modonúcleo
Memoriacompartida
Sistemaoperativo
FFFFFFFF
C0000000Únicos
porsistema
Traducción de memoria virtual W_NT(2/3)
Selecto r del i
Byte d entrol i
Entrada de lal il i l il i
Directoriode
á inas
Tab lasdepáginas
Marcosde página
i
Gestión de páginas de memoria W_NT (3/3)
Conjuntos
de
trabajo
de losprocesos
1
5
6
7
9
10
2
3 4
Principio subyacente de la MV, aplicable
a cualquier nivel de la jerarquía.
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Ejemplo: Distributed Shared Memory ps (process status)
• Información sobre el estado de los
– Es una de las herramientas más importantes
empleadas en tareas de monitorización
– Tiene una gran cantidad de parámetros$ ps aurUSER PI D %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TI ME COMMAND
mi guel 29951 55. 9 0. 1 1448 384 pts/ 0 R 09: 16 0: 11 t etr i scarl os 29968 50. 6 0. 1 1448 384 pts/ 0 R 09: 32 0: 05 t etr i sxavi er 30023 0. 0 0. 5 2464 1492 pt s/ 0 R 09:27 0: 00 ps aur
vmstat (virtual memory statistics)
• Paging (paginación), swapping, interrupciones, cpu
– La primera línea no sirve para nada
% vmst at – n 1 6procs memory swap i o syst em cpur b w swpd f ree buff cache si so bi bo i n cs us sy i d0 0 0 868 8964 60140 342748 0 0 23 7 222 199 1 4 950 0 0 868 8964 60140 342748 0 0 0 14 283 278 0 7 930 0 0 868 8964 60140 342748 0 0 0 0 218 212 6 2 930 0 0 868 8964 60140 342748 0 0 0 0 175 166 3 3 940 0 0 868 8964 60140 342752 0 0 0 2 182 196 0 7 930 0 0 868 8968 60140 342748 0 0 0 18 168 175 3 8 89
– Procesos: r (runnable), b (I/O blocked), w (swapped out)
– Bloques por segundo transmitidos: bi (blocks in), (blocks out)
– KB/s entre memoria y disco: si (swapped in), so (swapped out)
– in (interrupts por second), cs (context switches)
Parámetros de sar
• Gran cantidad de parámetros
– ar an e unas vers ones a o ras e mon or
- u Ut i l i zaci ón del procesador- B Pagi naci ón de l a memori a vi r t ual- c Cr eaci ón de procesos- b Transf erenci as con l a ent r ada/sal i da- d Transf erenci as par a cada di sco- I Si st ema de i nterr upci ones- n Conexi ón de r ed- q Carga medi a del si st ema- r Si st ema de memor i a- w Cambi os de cont ext o- W I ntercambi o ( swapping )- x PI D Estadí st i cas sobr e un pr oceso
7/17/2019 S.O - Tema 4 - Gestión de Memoria
http://slidepdf.com/reader/full/so-tema-4-gestion-de-memoria 24/24
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Prestaciones: Cambio parámetros en el kernel