Gerenciamento de Memória com Listas Encadeadas

Faculdade Pernambucana FAPE
Sistemas Operacionais
Abertos
Gerenciamento de Memória

A memória é um recurso que precisa ser
gerenciado com cuidado.
 Lei de Parkinson: “Os programas tendem a expandir até
ocupar toda a memória disponível para armazená-los”

A maioria dos computadores tem um hierarquia de
memória, sendo função do SO coordenar como
essas memórias são utilizadas.
 A parte do SO responsável pela gerencia dessa hierarquia
é o gerenciador de memória. Algumas funções:

Controla que partes da memória está em uso
 Aloca memória para processos
 Realiza o swap
Gerenciador Básico de Memória

Os sistemas de gerenciamento de memória podem
ser divididos em duas classes:
 Aqueles que movem processos de um lado para outro
entre a MP e o disco durante a execução
 Aqueles que não fazem a atividade anterior.
Monoprogramação sem Troca ou Paginação

O esquema mais simples de gerenciamento de
memória é executar somente um programa por
vez, compartilhando a memória entre esse
programa e o SO.
Gerenciador Básico de Memória
Três maneiras simples de organizar memória com um sistema operacional e com um
processo de usuário. Também existem outras possibilidades.
Gerenciador Básico de Memória

Quando o sistema está organizado dessa maneira,
somente um processo por vez pode estar executando.
Multiprogramação com Partições Fixas

Para sistemas operacionais complexos é necessário
compartilhamento de tempo.

Uso otimizado da CPU
 Pseudoparalelismo

A maneira mais fácil de alcançar a multiprogramação é
simplesmente dividir a memória em n partições
(possivelmente desiguais) ao iniciar o sistema.
Gerenciador Básico de Memória
(a) Partições fixas de memória com filas separadas para cada partição.
(b) Partições fixas de memória com uma única fila de entrada
Gerenciador Básico de Memória

A desvantagem de classificar os jobs de entrada em
filas separadas torna-se aparente quando a fila para
uma partição grande está vazia, mas a fila para uma
partição pequena está cheia.
 Uma organização alternativa é manter uma única fila.

Sempre que uma partição torna-se livre, o job mais próximo do
início da fila que se ajusta na partição vazia poderia ser
carregado nela e executado.
 Para não discriminar jobs pequenos, uma saída é dispor de pelo
menos uma partição pequena ou estabelecendo uma regra que
um job não pode ser ignorado k vezes.
Gerenciador Básico de Memória

Sistemas com partições fixas definidas ao iniciar
foi utilizado em mainframes IBM OS/360.
 Hoje em dia, poucos SOs suportam esse modelo,
se é que algum suporta.
Gerenciador Básico de Memória
Realocação e Proteção
 A multiprogramação introduz dois problemas
essenciais que devem ser resolvidos: realocação e
proteção
 Problema da realocação:
 Endereços dentro do arquivo binário (produzido pelo
linkeditor) precisam ser ajustados para serem acessados
quando o programa for carregado nas partições (em
virtude do deslocamento).

Endereço 100 na partição 1 é acessado no endereço 100K +
100. Se fosse na terceira partição seria 400K + 100
Gerenciador Básico de Memória
Realocação e Proteção
 A realocação durante o carregamento não resolve
o problema da proteção.
 Um programa malicioso sempre pode construir uma nova
instrução e saltar para ela.
 Em sistemas multiusuários, é indesejável deixar um
processo ler ou gravar memória pertencente a outros
usuários.

A solução que a IBM escolheu para proteger os
360 foi dividir a memória em blocos de 2KB e
atribuir um código de proteção de 4 bits a cada
bloco
Gerenciador Básico de Memória
Realocação e Proteção
 O hardware do 360 interrompia qualquer tentativa,
por parte de um processo em execução, de
acessar memória cujo código de proteção o
impedia.
 Uma
solução alternativa para ambos os
problemas, realocação e proteção, é equipar a
máquina com dois registradores especiais de
hardware, chamados registrador de base e
registrador de limite.
Gerenciador Básico de Memória
Realocação e Proteção
 Quando um processo é agendado, o registrador de
base é carregado com o endereço do início de sua
partição, e o registrador de limite é carregado com
o comprimento de sua partição.Ex:
Registrador de base = 100k
CALL 100 transforma-se em CALL 100K + 100

O hardware protege os registradores de base e de
limite para impedir que os programas de usuários
os modifiquem.
 Desde os 286 um esquema melhor foi adotado
Troca

Com um sistema de lotes, organizar a memória em
partições fixas é simples e efetivo.
 Cada job é carregado em uma partição quando chega no
começo da fila e permanece na memória até que termine.

Às vezes, não há memória principal suficiente para
armazenar todos os processos atualmente ativos,
então os processos em excessos são mantidos no
disco e trazidos de lá para execução
dinamicamente.
Troca

Duas abordagens
disponível:
dependendo
do
hardware
 Troca – Permite trazer cada processo inteiro, executá-lo
temporariamente e, então, devolvê-lo ao disco
 Memória virtual – Permite que os programas executem
mesmo quando estão apenas parcialmente na memória.
Troca
As alterações de alocação de memória enquanto os processos entram e
saem da memória. As regiões sombreadas correspondem à memória não-utilizada
Troca

A flexibilidade de usar partições variáveis
introduzem uma maior complexidade na tarefa de
alocar e desalocar memória.
 Quando a troca cria múltiplas lacunas na memória,
é possível juntar todas elas em um grande
espaço, movendo todos os processos para baixo o
máximo possível (compactação de memória).
 Quanta memória deve ser alocada para um
processo?
 Se possuir tamanho fixo, a memória é o tamanho indicado
 Senão, a técnica é mais apurada.
Troca

Se existir uma lacuna adjacente ao processo, ela pode ser
alocada e oferecida ao processo.
 Se não existir, o processo em crescimento terá de ser movido
para uma lacuna maior ou um ou mais processos terão de
ser enviados para o disco para criar essa lacuna.
 Por fim, se o processo não pode crescer na memória, e a
área de troca no disco está cheia, o processo deverá esperar
ou ser eliminado.

Se é esperado que a maioria dos processos
crescerá ao executar, provavelmente é uma boa
idéia alocar uma pequena memória extra sempre
que se fizer a troca ou mover-se um processo
Troca
(a) Alocando espaço para um segmento de dados crescente.
(b) Alocando espaço para uma pílha e para um segmento de dados crescente
Troca
Gerenciamento de Memória com Mapas de bits.
 Quando a memória é atribuída dinamicamente,o
sistema operacional deve gerenciá-la.
 Duas maneiras de monitorar o uso de memória:
 Mapas de bits e listas livres

Mapa de bits
 A memória é dividida em unidades de alocação, talvez tão
pequenas quanto algumas palavras e talvez tão grandes
quanto vários kilobytes.
 Correspondendo a cada unidade de alocação há um bit
no mapa de bits,que é 0 se a unidade está livre, e 1 se
estiver ocupada (ou vice-versa)
Troca
Gerenciamento de Memória com Mapas de bits.
(a) Uma parte da memória com cinco processos e três lacunas. Os traços menores
mostram as unidades de alocação de memória. As regiões sombreadas (0 no mapa
de bits) estão livres. (b) O mapa de bits correspondente. (c) As mesmas informações
como uma lista.
Troca
Gerenciamento de Memória com Mapas de bits.
 O tamanho da unidade de alocação é uma
importante questão de projeto.
 Quanto menor a unidade de alocação maior o mapa de
bits (e vice-versa).
 Uma memória de 32n bits utilizará n bits de mapa usando
uma unidade de alocação de 4 bytes.

A pesquisa no mapa de bits por uma lacuna de k
bits 0 consecutivos para acomodar um processo é
uma atividade lenta.
Troca
Gerenciamento
de
Memória
com
Listas
Encadeadas
 Consiste numa lista encadeada dos segmentos de
memória alocados e livres, onde um segmento é
um processo ou uma lacuna entre dois processos.
 Um processo que termina normalmente tem dois
vizinhos (exceto quando está na parte superior da
memória)
 A eliminação de um processo leva a quatro
combinações:
Troca
Gerenciamento
Encadeadas
de
Memória
com
Listas
Quatro Combinações de Vizinho para o Processo Terminante X.
Troca
Gerenciamento
de
Memória
com
Listas
Encadeadas
 Quando os processos e as lacunas são mantidos
em uma lista classificada por endereço, vários
algoritmos podem ser utilizados para alocar
memória para um processo recentemente criado
ou trocado para a memória.
 Algoritmo do primeiro ajuste:
 Varre a lista de segmentos até encontrar uma memória
que seja suficientemente grande. Ao achar, a lacuna é
dividida em um espaço para o processo e em um outra
para a memória não-utilizada.
Troca
Gerenciamento
de
Memória
Encadeadas
 Algoritmo do próximo ajuste:
com
Listas
 Semelhante ao primeiro ajuste com exceção de que ele
monitora a posição em que ele está sempre que encontra
uma lacuna adequada. Na próxima vez em que é
chamado a pesquisa não começará do início da lista e
sim a partir do lugar que ele deixou da última vez.
Desempenho ligeiramente inferior ao do algoritmo do
primeiro ajuste
Troca
Gerenciamento
de
Memória
Encadeadas
 Algoritmo do melhor ajuste:
com
Listas
 Pesquisa na lista inteira e pega a melhor lacuna que seja
adequada.
 Mais lento que o primeiro ajuste.

Algoritmo do pior ajuste:
 Sempre pegar a maior lacuna disponível de modo que a
lacuna resultante seja suficientemente grande para ser
útil.
Troca
Gerenciamento
de
Memória
com
Listas
Encadeadas
 Todos os 4 algoritmos podem ser acelerados
mantendo-se listas separadas para processos e
para lacunas.
 Listas de lacunas podem ser classificadas por tamanho
tornando o algoritmo do melhor ajuste mais rápido.
 As próprias lacunas podem ser utilizadas para guardar
informações armazenadas na lista de lacunas (economia
de memória)

Outro algoritmo de alocação: ajuste rápido
Troca
Gerenciamento
Encadeadas
 Ajuste rápido
de
Memória
com
Listas
 Mantém listas separadas para alguns dos tamanhos
exigidos mais comuns.

Tabela com n entradas em que a primeira é um ponteiro para
a cabeça de um lista de lacunas de 4K, a segunda para lista
de 8K, a terceira para lista de 12 K,etc.
 Problema da fragmentação e custo associado para
desfragmentar.
Memória Virtual

As memória dos primeiros computadores eram
pequenas e caras.
 O PDP-1 tinha uma memória de 4096 palavras, de 18 bits
cada uma. Memória usada para abrigar tanto o SO
quanto os programas de usuários.

Muitas vezes, o programador era obrigado a usar
algoritmos mais lentos porque o melhor algoritmo
não cabia na memória
Memória Virtual

A solução tradicional para a questão da falta de
espaço de memória foi utilizar o conceito de
memória secundária.
 O programa era dividido em partes, chamadas overlays,
que cabiam na memória disponível.
 Cada overlay era carregado do disco para a memória,
segundo a seqüência do programa, e executado.
 O programador era responsável por gerenciar todo o
processo de overlays sem qualquer ajuda do computador.
Memória Virtual

Algumas tarefas do programador:
 Dividir o programa em overlays.
 Decidir onde cada overlay devia ser armazenado na
memória secundária.
 Programar o transporte do overlay da memória
secundária para a memória principal e vice-versa.

Fica claro que a gerência do overlay era muito
trabalhosa.
Memória Virtual

Em 1961 foi criado um método para processar
overlay automaticamente, sem que o programador
nem precisasse saber da sua existência. Esse
método é conhecido como Memória Virtual.
 A definição de overlays evoluiu para o conceito de
memória virtual.

No início da década de 70, a memória virtual
estava disponível na grande maioria dos
computadores.
Memória Virtual

Atualmente existem sistemas sofisticados de
memória virtual. Implementações:
 Paginação
 Segmentação
 Segmentação com paginação.
Memória Virtual - Paginação

Paginação é uma técnica utilizada por muitos
sistemas de memória virtual.

Endereços gerados por programas são chamados endereços
virtuais e formam o espaço de endereço (endereçamento)
virtual.
 Em computadores sem memória virtual o endereço virtual é
colocado diretamente no barramento de memória e corresponde
diretamente a um endereço real ou físico
 Com memória virtual, os endereços virtuais não vão
diretamente para o barramento de memória, e sim para a
Unidade de Gerenciamento de Memória (Memory Management
Unit – MMU).
Memória Virtual - Paginação

A MMU é um hardware que mapeia os endereços virtuais em
endereços físicos de memória.
A posição e a função da MMU
Memória Virtual - Paginação
A relação entre endereços virtuais e endereços físicos de memória é dada pela
tabela de páginas.
Memória Virtual - Paginação

Na paginação, o espaço de endereço virtual é
dividido em unidades chamadas páginas. Já a
memória principal (física) é dividida em molduras
de páginas.
 As páginas e as molduras de página têm sempre o
mesmo tamanho.
 Com 64K de espaço de endereçamento virtual (16
bits) e 32K de memória física, temos 16 páginas
virtuais e 8 molduras de página considerando uma
página de 4K.

As transferências entre memória e disco são sempre em
unidades de uma página.
Memória Virtual - Paginação

Na figura anterior, ao utilizar a instrução MOVE
REG, 0, ocorre o seguinte:
 O endereço virtual 0 é enviado para a MMU.
 A MMU vê que esse endereço virtual cai na página 0
(0 a 4095), que de acordo com seu mapeamento é a
moldura de página 2 (8192 a 12287)
 Assim, transforma o endereço para 8192 e coloca o
endereço 8192 no barramento.

O que acontece se o programa tentar utilizar uma
página não-mapeada:
 MOVE REG, 32780
Memória Virtual - Paginação
 O endereço corresponde ao byte 12 dentro da página
virtual 8 (iniciando em 32768).





A MMU nota que a página não está mapeada e gera uma
interrupção, passado a CPU para o SO
Tal interrupção é chamada falta/falha de página
O SO seleciona uma moldura de página pouco utilizada e
grava o seu conteúdo de volta no disco.
Então, ele busca a página que acabou de ser referenciada e
carrega-a na moldura de página que acabou de ser liberada
Por fim, altera o mapa e reinicia a instrução interrompida.
Memória Virtual - Paginação
Funcionamento da MMU
convertendo o endereço virtual
8192 em 24580
A Operação interna da MMU com 16 páginas de 4K
Memória Virtual - Paginação
Tabelas de Páginas
 Para realizar o mapeamento entre a pagina e sua
respectiva moldura é utilizada uma tabela
chamada tabela de páginas.
 Ela armazena o número da moldura de página
correspondente a página virtual.
 Apresenta um bit que indica se a página está ou não
na memória (bit presente/ausente)
 Se o bit presente/ausente for 0 uma interrupção é
gerada, passando a CPU para o SO. Senão, o MMU
gera o endereço físico.
Memória Virtual - Paginação

Tabela de Página.
 O endereço virtual é dividido em um número de
página virtual e um deslocamento
 O número de página virtual funciona como um índice
na tabela de página para achar a moldura de página
se houver.
 O propósito da tabela de páginas é mapear páginas
virtuais em molduras de página.
 Duas questões importantes devem ser encaradas:
 A tabela de páginas pode ser extremamente grande
 O mapeamento deve ser rápido.
Memória Virtual - Paginação

Tabela de Página.
 Tabela grande
 Com endereços de 32 bits teremos teremos 4G de
endereços
 Com páginas de 4k teremos 1 milhão de páginas
resultando em 1 milhão de entradas na tabela de
páginas.
 Rapidez no mapeamento
 Cada
referência à memória deve ser feito o
mapeamento virtual para físico
 Cada instrução pode ser necessário 2 ou mais
referências à memória.
Memória Virtual - Paginação

Tabela de Página.
 Para otimizar o desempenho, o projeto mais simples
é ter uma única tabela de páginas consistindo em
uma matriz de rápidos registradores de hardware.
 O problema é o custo
 No outro extremo a tabela de páginas pode estar
inteiramente na memória principal.
Memória Virtual
Paginação
Tabela de Páginas Multinível
Tabela de páginas para o
topo dos 4M de memória
Tabelas de páginas
multinível evita o
problema de ter
páginas muito
grandes na memória.
(a) Um endereço de 32 bits com dois campos de tabela de páginas.
(b) Tabelas de páginas de dois níveis
Memória Virtual - Paginação

O segredo para tabela de páginas multinível é
evitar manter todas as tabelas de página na
memória todo o tempo.
 Mais níveis podem ser explorados mas a
complexidade aumentaria
 O arranjo exato de uma entrada é altamente
dependente de máquina, mas os tipos de
informações presentes são grosseiramente os
mesmos de máquina para máquina.
 32 bits é um tamanho comum
Memória Virtual - Paginação
Uma entrada típica de tabela de páginas
Memória Virtual - Paginação

TLBs – Translation Lookaside Buffers
 Na maioria dos esquemas de paginação as tabelas de
páginas são mantidas na memória em virtude de seu
tamanho
 A solução é baseada na observação de que a maioria
dos programas tende a fazer um grande número de
referências a um pequeno número de páginas, e não o
contrário
 A solução foi equipar computadores com pequeno
dispositivo de hardware para mapear endereços virtuais
em endereços físicos sem passar pela tabela de página.
 Essse dispositivo é chamado de TLB ou memória
associativa.
Memória Virtual - Paginação

TLBs – Translation Lookaside Buffers
Um TLB para acelerar a paginação
Memória Virtual - Paginação

TLBs – Translation Lookaside Buffers
Funcionamento:
 Quando um endereço virtual é apresentado para a MMU
para tradução, o hardware primeiro verifica se seu
número de página virtual está presente no TLB,
comparando com todas as entradas simultaneamente (em
paralelo)
 Se uma coincidência válida for localizada, e o acesso não
violar os bits de proteção, a moldura de página será
tomada diretamente do TLB, sem passar pela tabela de
páginas.

Pode ocorrer falha de proteção na leitura.
Memória Virtual - Paginação

TLBs – Translation Lookaside Buffers
 Se o número da página virtual não estiver no TLB, a MMU
detecta a falta e faz uma pesquisa rotineira na tabela de
páginas.
 Em seguida, a MMU expulsa uma das entradas na TLB e
a substitue pela página recém pesquisada.
Gerenciamento por Software do TLB

No passado o gerenciamento de TLB é feito por hardware
(MMU). Entretanto, algumas páginas modernas fazem todo
o gerenciamento de páginas por software
Memória Virtual - Paginação


Nessas máquinas as entradas de TLB são explicitamente
carregadas pelo SO.
Quando uma falta de TLB ocorre, em vez de a MMU
simplesmente ir para a tabela de páginas localizar e buscar
a referência de página necessária, ela apenas gera uma
falha de TLB e joga o problema para o SO.
Memória Virtual - Paginação
Tabelas de Páginas Invertidas.

Com 32 bits de endereçamento com 4k por tamanho de página
teremos 1 milhão de entradas na tabela de páginas.



A tabela de página deve ter no mínimo 4MB
Com 64 bits com 4k por tamanho de página, é necessário 1015
bytes para a tabela de página (valor inaceitável para armazenar)
Solução: tabela de página invertida.



O número de entradas na tabela é o número de molduras e não o
número de páginas.
Com 64 bits de endereço e 4K por página é preciso só de 8192
entradas.
Cada entrada monitora qual (processo, página virtual) está localizado
na moldura de página.
Memória Virtual - Paginação

Problema da abordagem: a tradução virtual para físico
torna-se muito mais difícil.
 A solução é utilizar o TLB


Em uma falta de página a tabela invertida precisa ser
pesquisada.
As tabelas de páginas invertidas são atualmente
utilizadas em algumas estações de trabalho IBM e HP
e vão se tornar mais comuns à medida que as
máquinas de 64 bits difundirem-se