Gerenciamento de memória

Sistemas de Computação
Gerenciamento
Gerenciamento de
de memória
memória
Localização de processos
Sistemas de Computação
• Um programa fica armazenado em disco como um
arquivo executável binário e tem que ser colocado
na memória para começar a ser executado
• Os processos podem ser movidos entre a memória
e o disco durante sua execução
• Fila de entrada – coleção de processos no disco que
estão esperando para serem colocados na memória
para poderem ser executados
• Processos podem ser carregados em qualquer
endereço da memória
Mapeamento entre espaços de
endereçamento
Sistemas de Computação
• Endereços no programa fonte são simbólicos
• Compiladores geram endereços relocáveis para os
endereços simbólicos
• O linker ou loader irão transformar este
endereços relocáveis em endereços absolutos
Definição de endereços para instruções e
dados
Sistemas de Computação
• Tempo de compilação: Ocorre quando o endereço
onde o processo irá ser carregado é conhecido.
Um código absoluto com os endereços é gerado e
caso o endereço mude, o programa tem que ser
recompilado
• Tempo de carga: Caso o endereço não seja
conhecido, o compilador tem que gerar código
relócavel
• Tempo de execução: Caso um processo possa ser
movido de um segmento de memória para outro
durante a sua execução
Processamento do programa do usuário
Sistemas de Computação
Espaço lógico versus físico
Sistemas de Computação
• O conceito de espaço de endereçamento lógico
ligado a um espaço de endereçamento físico é o
ponto principal nos mecanismos de gerenciamento
de memória
– Endereço lógico– gerado pela CPU: também conhecido como
endereço virtual
– Endereço físico – endereço recebido pela memória
• Endereços lógicos (virtuais) diferem dos endereços
físicos em tempo de execução
Unidade de gerenciamento de memória
Sistemas de Computação
• Dispositivo de hardware que mapeia endereços
virtuais para físicos
• Um valor base armazenado no registrador de
relocação é adicionado a cada endereço gerado
pelo processo
• O programa do usuário manipula endereços
lógicos; nunca vê os endereços reais
• A localização final de uma referência à memória
só é definida quando a referência é executada.
Relocação dinâmica utilizando registrador
de relocação
Sistemas de Computação
Carregamento dinâmico
Sistemas de Computação
• Rotina só é carregada quando ativada
• Melhor utilização do espaço de memória; rotina
não utilizada nunca é carregada
• Particularmente útil quando grande quantidade
de código é utilizado para casos que ocorrem
raramente
• Não precisa de suporte do sistema operacional,
mas S.O pode prover rotinas para que o
programador possa realizá-lo
Ligação dinâmica
Sistemas de Computação
• A ligação é adiada até o tempo de execução
• Utilizada para otimizar uso de biblioteca de
rotinas do sistema
• Pedaço de código denominado stub é utilizado
para localizar a rotina necessária residente na
memória
• O stub substitui o seu próprio código pelo
endereço da rotina e a executa
• O sistema operacional tem que verificar se a
rotina já está no espaço de endereçamento de
algum processo e se pode ser compartilhada
Overlays
Sistemas de Computação
• Necessário quando o processo é maior que a
quantidade de memória que pode ser alocada para
ele
• Mantém na memória somente as instruções e
dados necessários em um dado momento
• Implementado pelo usuário, não precisa de
suporte do sistema operacional
• Usuário programa leitura de arquivos do disco
para a memória e força o programa a ir para a
posição de memória
• Complexo de utilizar
Overlays para um montador em dois
passos
Sistemas de Computação
Swapping
Sistemas de Computação
• Um processo pode ser trocado ( swapped)
temporariamente da memória para um outro
dispositivo de apoio (disco), e trazido de volta para
a memória para continuar a sua execução
• Roll out, roll in – variante do swapping utilizada
para algoritmos de escalonamento baseados em
prioridade; processo com menos prioridade vai
para disco para processo de maior prioridade ser
carregado e executado
• Caso a definição dos endereços físicos seja feita em
tempo de compilação ou carga, o processo que foi
para o disco tem que voltar para o mesmo lugar
na memória
Swapping
Sistemas de Computação
• Caso a definição dos endereços físicos seja feita em
tempo de execução, o processo que foi para o disco
pode voltar para lugar diferente na memória
• O dispositivo de apoio tem que ser um disco
rápido com capacidade suficiente para acomodar
cópias de todas as imagens de programas de todos
usuários e deve prover acesso direto e estas
imagens
• Fila de prontos consiste dos processos que estão no
dispositivo de apoio e na memória prontos para
serem executados
• O dispatcher é acionado e no caso do processo
selecionado não estar na memória e não existir
espaço livre na memória, um processo é tirado da
memória e colocado no disco
Esquema de swapping
Sistemas de Computação
Swapping
Sistemas de Computação
• A troca de contexto em um sistema com swapping
é alta
– Ex. 1M bytes devem ser transferidos para um disco que tem taxa
de transferência de 5MB/s e tempo de latência médio igual a 8 ms.
Tempo total = 208 milisegundos, time slice deve ser
substancialmente maior que 416 milisegundos
• A maior parte do tempo é utilizada para realizar a
transferência entre a memória e dispositivo de
apoio, então deve se fazer a transferência somente
das posições de memória que estão sendo
realmente utilizadas pelo processo
Swapping
Sistemas de Computação
• Processos que utilizam alocação dinâmica de
memória devem informar ao sistema operacional
as suas necessidades de memória através de
chamadas ao sistema (request memory e release
memory)
• Caso um processo vá para o disco e exista uma
operação de E/S pendente para ele, podem ocorrer
problemas, porque o dispositivo de E/S pode
escrever na área de um novo processo que foi
colocado no lugar dele
Swapping
Sistemas de Computação
• Soluções: não permitir swapping para processos
com E/S pendente ou só permitir acesso pelo
dispositivo de E/S a buffer do sistema operacional,
que atualiza buffer do processo quando ele estiver
na memória
• Mecanismo pouco utilizado e com algumas
modificações
• Unix inicia swapping quando sistema muito
carregado
– muitos processos no sistema
– limite de memória livre é atingido
Alocação contígua
Sistemas de Computação
• Geralmente a memória principal é dividida em
duas partições:
– Sistema operacional colocado nos endereços de memória mais
baixos (memória baixa) junto com vetor de interrupções
– Processos do usuário ficam na memória mais alta
• Alocação contígua da memória
– O sistema operacional tem que ser protegido do acesso dos
processos do usuário, os quais devem ser protegidos de acesso
entre eles
– O registrador de relocação contém o valor do menor endereço
físico e o registrador de limite contém a faixa de endereçamento
lógico - cada endereço lógico tem que ser menor que o registrador
limite
Suporte de hardware para registradores
limite e de relocação
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Múltiplas partições
Sistemas de Computação
• Alocação de múltiplas partições
– Hole (buracos)– bloco de memória disponível ; buracos de vários
tamanhos ficam espalhados pela memória
– Quando um processo chega no sistema, o sistema procura por um
buraco que tenha uma quantidade de memória livre suficiente para
acomodar o processo
– O sistema operacional mantém informações sobre:
• partições alocadas
• partições livres (buraco)
Múltiplas partições
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OS
OS
OS
OS
process 5
process 5
process 5
process 5
process 9
process 9
process 8
process 2
process 10
process 2
process 2
process 2
Alocação dinâmica de memória
Sistemas de Computação
• Como satisfazer um pedido de tamanho n tendo
uma lista de buracos livres ?
– First-fit: Aloca o primeiro buraco da lista que seja grande o
suficiente para o processo
– Best-fit: Aloca o menor buraco que seja grande o suficiente
para o processo; precisa procurar a lista toda, caso não esteja
ordenada. Produz o menor buraco
– Worst-fit: Aloca o maior buraco possível; precisa procurar toda
a lista Produz o maior buraco
First-fit e best-fit são melhores que worst-fit em termos
de velocidade e utilização de armazenamento
Fragmentação
Sistemas de Computação
• Fragmentação externa – existe a quantidade de
memória que o processo precisa, mas não é
contígua
• Fragmentação interna – memória alocada é um
pouco maior que a requerida pelo processo; esta
diferença é memória interna a uma partição de
tamanho fixo que não está sendo utilizada
Fragmentação
Sistemas de Computação
• Redução de fragmentação externa por
compactação
– Arruma-se o conteúdo da memória de modo a colocar toda a
memória livre junta em um único bloco
– Compactação só é possível caso a relocação seja dinâmica e
seja realizada em tempo de execução
Paginação
Sistemas de Computação
• Gerenciamento de memória que permite que o
espaço de endereçamento físico não precise ser
contíguo
• Divide a memória física em blocos de tamanho
fixo denominados frames (tamanho é em potência
de 2, entre 512 bytes e 8192 bytes).
• Divide memória lógica em blocos de mesmo
tamanho denominadas páginas.
• Gerencia os frames livres
Paginação
Sistemas de Computação
• Para executar um programa de tamanho igual a n
páginas, precisa-se encontrar n frames livres e
carregar o programa nestes frames
• Possui uma tabela de páginas para traduzir o
endereço lógico em físico
• Não ocorre fragmentação externa, mas pode
ocorrer interna
Esquema de tradução de endereço
Sistemas de Computação
• O endereço gerado pela CPU é dividido em duas
partes:
– Número de página (p) – utilizada como um índice para a tabela de
páginas que contém o endereço base de cada página na memória
física
– Deslocamento de página (d) – combinada com o endereço base da
página para definir o endereço da memória física que será enviado
para a unidade de memória
Arquitetura para tradução de
endereços
Sistemas de Computação
Exemplo de paginação
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Exemplo de paginação
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Frames livres
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Antes da alocação
Depois da alocação
Implementação da tabela de páginas
Sistemas de Computação
• Tabela de páginas é mantida na memória
• Registrador base da tabela de páginas (PTBR)
aponta para a tabela de páginas
• Registrador de tamanho de tabela de página
(PRLR) indica o tamanho da tabela
• Neste esquema, cada acesso à memória para obter
dado ou instrução requer dois acessos à memória:
um para acessar a tabela de páginas e outro para
obter a instrução ou dado
Implementação da tabela de páginas
Sistemas de Computação
• O problema de acessar a memória duas vezes pode
ser resolvido utilizando-se uma memória cache
denominada translation look-aside buffers (TLBs)
Hardware de paginação com TLB
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Tempo efetivo de acesso
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• Procura na TLB =  unidades de tempo
• Assuma que o ciclo de memória é 1 microsegundo
• Taxa de acerto – percentagem de vezes que o
número de página é encontrado na TLB (depende
do tamanho da TLB)
• Taxa de acerto = 
• Tempo efetivo de acesso (EAT)
EAT = (1 + )  + (2 + )(1 – )
=2+–
Proteção de memória
Sistemas de Computação
• Proteção de memória é implementada utilizandose um bit de proteção para cada frame
• Bit válido-inválido é adicionado a cada entrada da
tabela de páginas:
– “válido” indica que a página associada pode estar no espaço de
endereçamento lógico do processo e portanto é uma página legal
– “inválido” indica que a página não pode estar no espaço de
endereçamento lógico do processo
Bit válido (v) ou inválido (i) na tabela de
páginas
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Estruturação da tabela de páginas
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• Paginação hierárquica
• Paginação por hash
• Tabela de página invertida
Tabelas de páginas hierárquicas
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• Divide o espaço lógico de endereçamento em
múltiplas tabelas de páginas
• Uma opção simples é dividir a tabela de ´páginas
em dois níveis
Exemplo de paginação em dois níveis
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• Um endereço lógico (em uma máquina de 32 bits
com tamanho de página de 4K) é dividida em:
– um número de pagina consistindo de 20 bits
– um deslocamento de página consistindo de 12
bits.
• Com o tabela de página é paginada, o número de
página é dividido em:
– um número de página de 10 bits
– um deslocamento de página de 10 bits
Exemplo de paginação em dois níveis
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• Formato do endereço lógico:
número de página
p1
10
deslocamento de página
p2
d
10
12
onde p1 é um índice para a tabela de página mais
externa e p2 é o deslocamento na página da tabela
mais externa
Esquema de tabela de páginas em dois
níveis
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Esquema de tradução de endereços
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Tabelas de páginas com hash
Sistemas de Computação
• Comum em espaço de endereçamento > 32 bits.
• O número da página virtual é mapeado por
hashing na tabela de páginas.
• A entrada da tabela de páginas pode conter uma
cadeia de elementos que estão mapeados na
mesma entrada
• ´Procura-se nesta cadeia pelo número da página
virtual desejada e caso ela seja encontrada, obtémse o frame físico correspondente
Tabela de páginas com hashing
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Tabela de páginas invertida
Sistemas de Computação
• Uma entrada para cada página real da memória
• Cada entrada contém, para um determinado
endereço real, o endereço virtual da página que
está ali armazenada, com informações do processo
que a possui
• Diminui a memória necessária para armazenar
cada tabela de páginas, mas aumenta o tempo
necessário para a procura na tabela quando
ocorre uma referência de página
• Utiliza-se tabelas hash para limitar a procura para
uma ou poucas entradas na tabela de páginas
Arquitetura de tabela de páginas
invertida
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Páginas compartilhadas
Sistemas de Computação
• Código compartilhado
– Uma cópia de código somente-leitura (reentrante) é compartilhada
entre processos (editores de texto, compiladores, sistemas de
janelas)
– Código compartilhado deve aparecer no mesmo local no espaço de
endereçamento lógico de todos os processos
• Códigos e dados privados
– Cada processo mantém uma cópia separada do código e dos dados
– As páginas para o código e dados privados podem aparecer em
qualquer local do espaço de endereçamento lógico
Exemplo de páginas compartilhadas
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Segmentação
Sistemas de Computação
• Esquema de gerenciamento de memória que
suporta uma visão da memória física mais
próxima à do usuário
• Um programa é uma coleção de segmentos. Um
segmento é uma unidade lógica, tal como um
programa principal, procedimento, método,
objeto, variáveis locais e globais, blocos comuns,
pilha, tabela de símbolos, arrays
Visão do usuário de um programa
Sistemas de Computação
Visão lógica da segmentação
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1
4
1
2
3
4
2
3
espaço do usuário
espaço de memória física
Arquitetura de segmentação
Sistemas de Computação
• Um endereço lógico consiste da tupla: <númerosegmento, deslocamento>
• Tabela de segmentos – mapeia endereços físicos de
duas dimensões
• Cada entrada na tabela possui:
– base – contém o endereço físico inicial onde o segmento reside na
memória
– limite – especifica o tamanho do segmento
Arquitetura de segmentação
Sistemas de Computação
• Registrador base de segmento de tabela (STBR)
aponta para a localização do segmento na
memória
• Registrador de tamanho do segmento da tabela
(STLR) indica o tamanho do segmento
Arquitetura de segmentação
Sistemas de Computação
• Relocação
– dinâmica
– realizada por tabela de segmentação
• Compartilhamento
– segmentos compartilhados
– mesmo número de segmento
• Alocação
– first fit/best fit
– fragmentação externa
Arquitetura de segmentação
Sistemas de Computação
• Proteção é fornecida com associação a cada
entrada da tabela de segmentos das seguintes
informações:
– bit de validação = 0  segmento ilegal
– privilégios read/write/execute
• Bits de proteção são associadas com segmentos;
compartilhamento de código ocorre no nível de
segmento
• Como os segmentos variam em tamanho, a
alocação de memória é um problema de alocação
dinâmica de memória
Hardware para segmentação
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Exemplo de segmentação
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Compartilhamento de segmentos
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Tradução de endereços no Intel 30386
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