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Apostila 6 gerência de memória

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Gerência de memória em sistemas operacionais

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Apostila 6 gerência de memória

  1. 1. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 1 Arquitetura de SistemasArquitetura de Sistemas OperacionaisOperacionais Capítulo 9Capítulo 9 Gerência de MemóriaGerência de Memória
  2. 2. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 2 Sumário • Introdução • Funções básicas • Alocação contígua simples • Técnica de overlay • Alocação Particionada – Alocação Particionada Estática – Alocação Particionada Dinâmica – Estratégias de Alocação de Partição • Swapping
  3. 3. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 3 Introdução • Historicamente, a memória principal sempre foi vista como um recurso escasso e caro. • Uma das maiores preocupações dos projetistas era desenvolver sistemas operacionais que não ocupassem muita memória e, ao mesmo tempo, otimizassem a sua utilização. • Enquanto nos sistemas monoprogramáveis a gerência de memória não é muito complexa, nos sistemas multiprogramáveis ela se torna crítica.
  4. 4. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 4 Funções Básicas • Manter o maior número de processos na memória • Maximizar o compartilhamento da UCP e demais recursos • Swapping • Execução de programas maiores que memória disponível • Proteção • Compartilhamento
  5. 5. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 5 Alocação Contígua Simples M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l Á r e a p a r a p r o g r a m a • Maneira mais simples: alocação contígua da memória. • Registrador delimita as áreas do Sist. Op. e do usuário (proteção). • Uso ineficiente do espaço, somente um usuário ocupando-o.
  6. 6. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 6 Alocação Contígua Simples • Proteção - Para proteger esse tipo de acesso, que pode ser intencional ou não, alguns sistemas implementam proteção através de um registrador que delimita as áreas do SO e do usuário. M e m ó r i a P r i n c i p a l R e g i s t r a d o r S i s t e m a O p e r a c i o n a l Á r e a p a r a p r o g r a m a
  7. 7. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 7 Alocação Contígua Simples • Subutilização da memória M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l P r o g r a m a d o u s u á r i o Á r e a l i v r e
  8. 8. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 8 ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Técnica de Overlay Técnica de Overlay • Na alocação contígua simples, todos os programas estão limitados ao tamanho da área de memória principal disponível para o usuário. • Uma solução encontrada para o problema é dividir o programa em módulos, de forma que seja possível a execução independente de cada módulo, usando uma mesma área de memória. Essa técnica é chamada de overlay. • Considere um programa que tenha três módulos: um principal, um de cadastramento e outro de impressão, sendo os módulos de cadastramento e impressão independentes. • Esta independência significa que quando um dos módulos estiver na memória para execução, o outro não precisa necessariamente estar presente também. • O módulo principal é comum aos dois módulos, logo, deve permanecer na memória durante toda a execução do programa.
  9. 9. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 9 ASO–Machado/Maia–complem.porSidneyLucena(UNIRIO) Técnica de Overlay • A técnica de overlay permite que módulos independentes de um mesmo programa sejam carregados numa mesma área de memória em momentos diferentes. • Áreas de overlay definidas pelo programador. • Expande limites da memória principal. • Não possui compartilhamento por usuário. M e m ó r i a P r i n c i p a l C a d a s t r a m e n t o I m p r e s s ã o S i s t e m a O p e r a c i o n a l2 K b 3 K b 4 K b 4 K b 2 K b 2 K b 1 K b M ó d u l o p r i n c i p a l Á r e a d e o v e r l a y Á r e a l i v r e Á r e a n ã o u t i l i z a d a
  10. 10. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 10 ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Técnica de Overlay Técnica de Overlay • A definição das áreas de overlay é função do programador da aplicação, através de comandos específicos da linguagem de programação utilizada. • O tamanho de uma área de overlay é estabelecido a partir do tamanho do maior módulo. • A técnica de overlay tem a vantagem de permitir ao programador expandir os limites da memória principal. • O uso desta técnica exige cuidado pois pode trazer problemas devido à possibilidade de transferência excessiva de módulos entre a memória principal e a secundária.
  11. 11. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 11 ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Alocação Particionada Estática • Nos primeiros sistemas multiprogramáveis, a memória era dividida em pedaços de tamanho fixo, chamados partições. • O tamanho das partições, estabelecido na fase de inicialização do sistema, era definido em função do tamanho dos programas a serem executados no ambiente. • Sempre que fosse necessário a alteração de tamanho de uma partição, o sistema deveria ser desativado e reinicializado com uma nova configuração. • Este tipo é conhecido como alocação particionada estática ou fixa.
  12. 12. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 12 ASO–Machado/Maia–complem.porSidneyLucena(UNIRIO) Alocação Particionada Estática M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 2 K b 5 K b 8 K b P a r t i ç ã o 1P a r t i ç ã o T a b e l a d e p a r t i ç õ e s T a m a n h o 1 2 K b 2 5 K b 3 8 K b P a r t i ç ã o 2 P a r t i ç ã o 3 P r o g r a m a s a s e r e m e x e c u t a d o s : AE 3 K b D 6 K b C 1 K b B 4 K b 2 K b • Memória é dividida em partições fixas, cada processo ocupará uma determinada partição estabelecida na inicialização do sistema.
  13. 13. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 13 Alocação Particionada Estática Alocação Particionada Estática Absoluta • Inicialmente, os programas só podiam ser carregados e executados em apenas uma partição específica mesmo que outras estivessem disponíveis. • Esta limitação se devia aos compiladores e montadores, que geravam apenas código absoluto. • No código absoluto, todas as referências a endereços no programa são posições físicas na memória principal, ou seja, o programa só poderia ser carregado a partir do endereço de memória especificado no seu próprio código. • Se, por exemplo, os programas A e B estivessem sendo executados e a terceira partição estivesse livre, os programas C e D não poderiam ser processados. • A esse tipo de gerência chamou-se alocação particionada estática absoluta.
  14. 14. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 14 Alocação Particionada Estática Absoluta M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 2 K b 5 K b 8 K b P a r t i ç ã o 1 P a r t i ç ã o 2 P a r t i ç ã o 3 A B D C E 3 K b 6 K b 1 K b 4 K b 2 K b • Compiladores geram códigos absolutos, ou seja, todas as referências a endereços são posições físicas na memória principal. • Programas só podem ser executados em partição determinada.
  15. 15. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 15 Alocação Particionada Estática Alocação Particionada Estática Relocável • Com a evolução dos compiladores, montadores, linkers e loaders, o código gerado deixou de ser absoluto e passa a ser relocável. • No código relocável, todas as referências a endereços no programa são relativas ao início do código e não a endereços físicos de memória. • Dessa forma, os programas puderam ser executados a partir de qualquer partição. • Quando o programa é carregado, o loader calcula todos os endereços a partir da posição inicial onde o programa foi alocado. • Caso os programas A e B terminassem, o programa E poderia ser executado em qualquer uma das duas partições. • Esse tipo de gerência de memória é denominado alocação particionada estática relocável.
  16. 16. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 16 Alocação Particionada Estática Relocável M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 2 K b 5 K b 8 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A P r o g r a m a B ED 6 K b 3 K b • Compiladores geram códigos relocáveis, ou seja, todas as referências a endereços são posições relativas ao início do código • Programas podem ser executados em qualquer partição
  17. 17. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 17 Alocação Particionada Estática Tabela de Alocação de Partições • Para manter o controle sobre quais partições estão alocadas, a gerência de memória mantém uma tabela com o endereço inicial de cada partição, o seu tamanho, e se está em uso. • Sempre que um programa é carregado para a memória, o sistema percorre a tabela na tentativa de localizar uma partição livre, onde o programa possa ser carregado.
  18. 18. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 18 Tabela de Alocação de Partições • P/manter controle das partições, é gerada uma tabela de alocação. M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 1 2 3 P r o g r a m a C Á r e a l i v r e P r o g r a m a B P a r t i ç ã o T a m a n h o L i v r e 1 2 K b N ã o 2 5 K b S i m 3 8 K b N ã o
  19. 19. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 19 Alocação Particionada Estática • Proteção - Nesse esquema de alocação, a proteção baseia-se em dois registradores, que indicam os limites inferior e superior da partição onde o programa está sendo executado. Caso o programa tente acessar uma posição de memória fora dos limites definidos pelos registradores, ele é interrompido e uma mensagem de violação de acesso é gerada pelo SO. M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l E n d e r e ç o i n i c i a l E n d e r e ç o f i n a l
  20. 20. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 20 Alocação Particionada Estática • Fragmentação Interna - Tanto nos sistemas de alocação absoluta como nos de alocação relocável, os programas, normalmente, não preenchem totalmente as partições onde são carregados. Esse tipo de problema, decorrente da alocação fixa das partições, é conhecido como fragmentação interna. M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 1 K b 3 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A P r o g r a m a E BD 6 K b 4 K b
  21. 21. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 21 Alocação Particionada Dinâmica • A alocação particionada estática, vista anteriormente, deixou evidente a necessidade de uma nova forma de gerência de memória, onde o problema da fragmentação interna fosse reduzido e, conseqüentemente, o grau de compartilhamento da memória aumentado. • Na alocação particionada dinâmica ou variável, foi eliminado o conceito de partições de tamanho fixo. Neste esquema, cada programa usaria o espaço necessário, tornando essa área sua partição. • Como os programas usam apenas o espaço de que necessitam, no esquema de alocação particionada dinâmica o problema da fragmentação interna não ocorre.
  22. 22. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 22 Alocação Particionada Dinâmica M e m ó r i a P r i n c i p a lM e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a lS i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 1 K b 3 K b 5 K b 2 K b 1 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a B P r o g r a m a A P r o g r a m a E BA 2 K b E 3 K b C 1 K b 4 K b • Alocação Particionada Dinâmica
  23. 23. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 23 Alocação Particionada Dinâmica • Fragmentação Externa - Porém, um tipo diferente de fragmentação começará a ocorrer, quando os programas forem terminando e deixando espaços cada vez menores na memória, não permitindo o ingresso de novos programas. No caso, mesmo existindo 12 KB livres de memória, o programa D, que necessita de 6 KB de espaço, não poderá ser carregado para execução. Este tipo de problema é chamado de fragmentação externa. M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 3 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A D 6 K b
  24. 24. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 24 Alocação Particionada Dinâmica • Solução para a Fragmentação Externa M e m ó r i a P r i n c i p a lM e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a lS i s t e m a O p e r a c i o n a l 8 K b 4 K b 3 K b 5 K b5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a AP r o g r a m a A
  25. 25. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 25 Alocação Particionada Dinâmica • Solução para a Fragmentação Externa (relocação dinâmica) M e m ó r i a P r i n c i p a lM e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l R e l o c a ç ã o S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 3 K b 1 2 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a C P r o g r a m a A P r o g r a m a A
  26. 26. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 26 Estratégias de Alocação • Os SOs implementam, basicamente, três estratégias para determinar em qual área livre um programa será carregado para execução. Essas estratégias tentam evitar ou diminuir o problema da fragmentação externa. – Best-fit – nesta, a melhor partição é escolhida, ou seja, aquela em que o programa deixa o menor espaço sem utilização (Fig. 9.16a). Neste algoritmo, a lista de áreas livres está ordenada por tamanho, diminuindo o tempo de busca por uma área desocupada. Uma desvantagem deste método é que, como é alocada a partição que deixa a menor área livre, a tendência é que cada vez mais a memória fique com pequenas áreas não- contíguas, aumentando o problema da fragmentação. – Worst-fit – aqui, a pior partição é escolhida, ou seja, aquela em que o programa deixa o maior espaço sem utilização (Fig. 9.16b). Apesar de usar as maiores partições, esta técnica deixa espaços livres maiores que permitem a um maior número de programas usar a memória, diminuindo o problema da fragmentação. – First-fit – a primeira partição livre de tamanho suficiente para carregar o programa é escolhida (Fig. 9.16c). Neste algoritmo, a lista de áreas livres está ordenada crescentemente por endereços. Como o método tenta primeiro utilizar as áreas livres de endereços mais baixos, existe uma grande chance de se obter uma grande partição livre nos endereços de memória mais altos. Das três estratégias apresentadas, a first-fit é a mais rápida, consumindo menos recursos do sistema.
  27. 27. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 27 Estratégias de Alocação • Lista de Áreas Livres M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 3 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A Á r e a s l i v r e s Á r e a l i v r e 1 Á r e a l i v r e 2 Á r e a l i v r e 3 T a m a n h o 1 4 K b 2 5 K b 3 3 K b
  28. 28. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 28 Estratégias de Alocação - Best-Fit M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 3 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A F 1 K b S i s t e m a O p e r a c i o n a l 2 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a F P r o g r a m a A Á r e a l i v r e (a ) B e st- fit • Partição escolhida é aquela em que o programa deixa o menor espaço sem utilização.
  29. 29. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 29 Estratégias de Alocação -Worst-Fit M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 3 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A F 1 K b S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A Á r e a l i v r e P r o g r a m a F ( b ) W o r s t- f i t • Partição escolhida é aquela em que o programa deixa o maior espaço sem utilização.
  30. 30. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 30 Estratégias de Alocação - First-Fit M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 3 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A F 1 K b S i s t e m a O p e r a c i o n a l 3 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A Á r e a l i v r e P r o g r a m a F (c)First-fit • Partição escolhida é primeira livre de tamanho suficiente para carregar o programa.
  31. 31. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 31 Swapping • Problema: e se não houver memória RAM suficiente para acomodar todos os processos? • Solução: realizar uma troca de processos, ou swapping. – Um dos processos em RAM é deslocado para uma memória secundária (swap out) e dá lugar ao “novo” processo (swap in). – Opta-se por remover o processo em wait com menos chance de ser executado (possivelmente pode optar por um processo em ready). – Uma área do disco passa a ser usada como memória secundária (área de swap). – Mais tarde, o processo swapped out é escalonado e, então, swapped in, voltando a ser executado.
  32. 32. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 32 Swapping • Mesmo com o aumento da eficiência da multiprogramação e, particularmente, da gerência de memória, muitas vezes um programa não podia ser executado por falta de uma partição livre disponível. • A técnica de swapping foi introduzida para contornar o problema da insuficiência de memória principal. • Em todos os esquema apresentados anteriormente, um processo permanecia na memória principal até o final da sua execução, inclusive nos momentos em que esperava por um evento, como uma operação de leitura ou gravação. • O swapping é uma técnica aplicada à gerência de memória para programas que esperam por memória livre para serem executados. • Neste caso, o sistema escolhe um processo residente, que é transferido da memória principal para a secundária (swap out), geralmente disco. • Posteriormente, o processo é carregado de volta da memória secundária para a principal (swap in) e pode continuar sua execução como se nada tivesse acontecido.
  33. 33. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 33 Swapping • Para que a técnica de swapping seja implementada, é essencial que o sistema ofereça um loader que implemente a relocação dinâmica de programas. • Um loader relocável que não ofereça esta facilidade permite que um programa seja colocado em qualquer posição de memória, porém a relocação é realizada apenas no momento do carregamento. • No caso do swapping, um programa pode sair e voltar diversas vezes para a memória, sendo necessário que a relocação seja realizada pelo loader a cada carregamento.
  34. 34. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 34 Swapping • Necessário haver relocação dinâmica. • Permite maior compartilhamento. • Custo elevado p/operações de swap in e swap out. • Problema: não havendo espaço para crescimento ou relocação, e/ou a área de swap estiver cheia, o processo poderá ficar em estado de espera ou ser terminado. M e m ó r i a P r i n c i p a l M e m ó r i a P r i n c i p a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l S i s t e m a O p e r a c i o n a l P r o g r a m a A P r o g r a m a A P r o g r a m a G Á r e a L i v r e S w a p i n S w a p o u t A r q u i v o d e S w a p P r o g r a m a E P r o g r a m a E P r o g r a m a B P r o g r a m a H H B B
  35. 35. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 35 Swapping • A relocação dinâmica é realizada através de um registrado especial denominado registrador de relocação. • No momento em que o programa é carregado na memória, o registrador recebe o endereço inicial da posição de memória que o programa irá ocupar. • Toda vez que ocorrer a referência a algum endereço, o endereço contido na instrução será somado ao conteúdo do registrador gerando, assim, o endereço físico. • Dessa forma, um programa pode ser carregado em qualquer posição de memória. • O conceito de swapping permite uma maior compartilhamento da memória principal e, consequentemente, maior uso dos recursos do sistema computacional. • Seu maior problema é o elevado custo das operações de entrada/saída (swap in/ou). • Em situações críticas, quando há pouca memória, disponível, o sistema pode ficar quase que dedicado à execução de swapping, deixando de realizar outras tarefas e impedindo a execução de processos residentes.
  36. 36. ArquiteturadeSistemasOperacionais–Machado/Maia Gerência de Memória 36 Swapping • Relocação Dinâmica E n d e r e ç o d e m e m ó r i a E n d e r e ç o i n c i a l d a p a r t i ç ã o R e g i s t r a d o r d e R e l o c a ç ã o I n s t r u ç ã o E n d e r e ç o C ó d i g o d e o p e r a ç ã o

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