Gerenciamento de Memória (Paginação e Memória Virtual)

1. Gerenciamento de Memória (Paginação e Memória Virtual) Prof. Alexandre Monteiro Recife

2. Contatos • Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo • Apelido: Alexandre Cordel • E-mail/gtalk: alexandrecordel@gmail.com greinaldo@fbv.edu.br • Site: http://www.alexandrecordel.com.br/fbv • Celular: (81) 9801-1878

3. DO QUE FALAMOS NA AULA PASSADA?

4. A memória pode ser vista como um array (vetor) de células de armazenamento (palavras ou bytes), cada célula com seu endereço Memória

5. Memórias física, lógica e virtual • Memória física • É a memória implementada pelo hardware, normalmente associada a memória principal - RAM. • Memória lógica de um processo • É a memória endereçada pelas instruções de máquina do processo. • Memória Virtual • É uma memória implementada pelo SO, com o auxílio da memória secundária (disco rígido). Comumente, é implementada através de paginação ou segmentação. • Normalmente, é maior que a memória física do computador.

6. Gerência de Memória • Rotinas do SO que controlam o uso da memória. • Controle de quais partes da memória encontram-se livres e quais estão em uso • Alocação da memória de acordo com as necessidades dos processos • Liberação da memória alocada após o término de um processo • Transferência do processo, ou parte dele, entre a memória principal e a memória secundária

7. Multiprogramação através de Swapping • O programa que perde a CPU é copiado p/ disco, enquanto o programa que ganha a CPU é transferido do disco p/ a memória principal reg. limite Monitor Espaço do Usuário Swap-in U1 Swap-out U2

8. Efeito da Multiprogramação • Utilização da CPU como função do grau de multiprogramação (= número de processos na memória)

9. Realocação e Proteção • São dois problemas introduzidos pela Multiprogramação: • Realocação: não se sabe de antemão em qual região de memória o processo vai ser executado • Proteção: evitar que um processo acesse uma região usada por outro processo

10. Partições Múltiplas • Com multiprogramação, é conveniente ter vários programas na memória ao mesmo tempo para que a CPU seja rapidamente alternada entre eles. • Solução: dividir a memória em partições (cada partição irá conter um programa) • partições fixas (normalmente o hw usa registradores limite inferior e limite superior) • partições variáveis (normalmente o hw usa registradores base e limite)

11. Memória com Partições Fixas (a) Filas de entrada separadas: (Por tamanho de Processo x Partição) (b) Fila única para todas as partições: (Simples de Implementar)

12. Partições Fixas • Exemplo: memória de 256K • espaço do SO: 64K • espaço para processos pequenos: 16K • espaço para processos médios: 48K • espaço para processos grandes: 128K

13. Memória sem Partições

14. Memória com Partições Fixas, mas de tamanho variável Espaço para Expansão Espaço para Expansão

15. Partições Variáveis • Os tamanhos das partições variam de acordo com a necessidade • Tamanho e número de partições variam dinamicamente • Elimina a fragmentação interna e introduz a fragmentação externa • Mais difícil de implementar • O SO mantém uma lista indicando quais partes da memória estão disponíveis e quais estão ocupadas. • As áreas disponíveis são denominadas lacunas(holes) • Quando um processo chega para ser executado, a lista de lacunas é consultada e é escolhida uma lacuna de tamanho suficiente

16. Partições Variáveis JOB 1 2 3 4 5 Memória 60K 100K 30K 70K 50K Tempo 10 5 20 8 15

17. Partições Variáveis: Algoritmos de Alocação de área livre • First Fit – percorre a lista e aloca o primeiro espaço encontrado • Next Fit – como first Fit, só que a partir da posição na lista onde foi feita a alocação anterior • Best Fit – percorre toda a lista e aloca o menor possível espaço epode deixar fragmentos muito pequenos para alocação para outros processos • WorstFit – percorre toda a lista e aloca o maior possível espaço. OBS. Em muitos sistemas, o overhead adicional exigido pelos Best/WorstFit não valem a pena para obter uma alocação mais efetiva.

18. Partições Variáveis: Algoritmos de Alocação de área livre • Qualquer um dos algoritmo anteriores é mais eficiente se: • Houverem 2 listas: lista de partições usadas + lista de espaços livres • Listas são mantidas ordenadas por tamanho (nr. de unidades de alocação) Problema: há uma complexidade extra quando ocorre uma liberação de memória (precisa-se verificar se há espaços adjacentes livres e inserir o novo espaço na posição correta da lista). • Alternativa: • Quick Fit: mantém listas separadas por tamanho do espaço livre (2K, 4K, 8K, etc.) • Problema: ao liberar memória, o novo espaço criado precisa ser inserido na fila correspondente (possivelmente, após combinação com áreas vizinhas)

19. Atividade Valendo NOTA • Estude e siga as orientações descritas no material de aula. • Utilizando Listas ou Vetores, implemente os 5 algoritmos citados anteriormente, de modo que resolvam os problemas de alocação de espaços livres de memória. • Deve-se selecionar o algoritmo e este deve alocar corretamente o espaço de memória mais conveniente de acordo com as regras de funcionamento de cada uma dos algoritmos. • Apresentação ao final do semestre.

20. SWAPPING

21. Swapping • Em sistemas com compartilhamento de tempo (timesharing) memória principal pode não ser suficiente para todos os processos (ex. muitos processos interativos de muitos usuários) • Ideia básica: usar espaço em disco como extensão da memória RAM, e colocar lá os processos enquanto estão bloqueados, carregando-os de volta para a memória assim que são desbloqueados • Duas Situações: • Copiar a imagem inteira (Swapping) • Permitir que processo fique parcialmente em memória, e parcialmente em disco (paginação) -> Memória Virtual

22. Swapping • Quando um processo é bloqueado (espera por E/S) ele pode ser swapped out, e depois swapped in para memória principal. • Maior número de processos ativos, aumentando a utilização da CPU • OBS 1: Buracos de memória não utilizada de tamanho qualquer (Fragmentação de Memória) • OBS 2: Um mesmo processo pode ocupar diferentes partições ao longo de sua execução

23. Fragmentação de Memória • São perdas (desperdício) de memória: • fragmentação interna: memória é perdida dentro da partição alocada (é um desperdício de espaço dentro da partição usada pelo processo) • fragmentação externa: ocorre quando existe espaço disponível mas este é pequeno demais para os processos que estão à espera (perda de espaço fora das partições alocadas)

24. Swapping • Principal problema do swapping com partições de tamanho variável: • Manter a informação sobre espaços não utilizados (livres) • Evitar uma fragmentação externa da memória (= muitos espaços pequenos não utilizados) Compactação de memória é muito cara – da ordem de segundos para alguns MBs de RAM.

25. Swapping • Como lidar com processos que crescem (em demanda de memória)? • Tentar alocar uma partição vizinha do processo de uma partição não usada (nem sempre é possível) • Alocar uma partição conjunta para a pilha e o heap, e fazê-los crescer em sentidos opostos. • Se processo usa todo espaço de memória disponível, fazer um swap out, e um swap in em uma partição maior (mas, se disco de swap está cheio, processo precisa ser terminado)

26. Gerenciamento de Espaço Livre • Divide a memória em unidades de alocação de n bytes e representa a ocupação (livre/ocupado) de lotes de unidades usando um bit map(b)ou uma lista encadeada (c). • Cada nó contém o endereço inicial e o tamanho de uma partição ocupada ou livre.

27. Gerenciamento de Espaço Livre • Quando o processo é swapped out, a lacuna correspondente precisa ser combinada com espaços vizinhos livres. • Quando processo é swapped in, percorre-se a lista buscando um espaço livre suficientemente grande (lista geralmente ordenada por endereços de memória) • Quando X é swapped out: quatro combinações de nós na lista

28. MEMÓRIA VIRTUAL

29. É necessária, quando o total de memória necessária para um conjunto de processos excede o tamanho da memória física. Também aqui, usa-se parte do disco como extensão da memória RAM. A grande maioria dos SO’s (exceto alguns para tempo real), implementam Memória Virtual. MV usa a técnica de paginação: Memória física e espaço de endereçamento lógico de cada processo são divididos em partições de mesmo tamanho: Espaço do processo é dividido em páginas Memória é dividida em molduras de página Em vez de fazer o swap in/out de uma imagem inteira de processo, cada página pode ser movida do disco para a memória e vice-versa. Memória Virtual

30. Paginação • Requer da existência de suporte por hardware (MemoryManagement Unit- MMU) • MMU intercepta qualquer acesso à memória (p/ instruções e dados) • Mapeia endereços lógicos para endereços físicos (através de uma Tabela de Página) • Quando a página acessada não está em memória, gera uma interrupção de falta de página (Page Fault), que causa a interrupção do processo em execução e o seu bloqueio, até que a página tenha sido transferida para a memória.

31. Paginação • A memória física é dividida em um número de partições de mesmo tamanho, denominadas páginas físicas,quadros ou framesou molduras. • A memória lógica é dividida em partições do mesmo tamanho, denominadas páginas lógicas (ou, simplesmente, páginas) • Cada página lógica é carregada em uma moldura de páginaquando o processo é carregado na memória principal. • Nessa ocasião, uma Tabela de Páginasé criada. • Permite que o espaço físico ocupado por um processo seja não contíguo.

32. Paginação A1 A2 A3 A4 A 4 B1 B 3 B2 C 4 B3 C1 D 5 C2 C3 C4 Processos A, B, C estão prontos Exemplo: número de páginas/processo

33. Paginação A1 A1 A2 A2 A3 A3 A4 A4 D1 D2 D3 C1 C1 C2 C2 C3 C3 C4 C4 D4 D5 B termina D é submetido

34. Paginação Problemastantoemparticionamentofixoquantodinâmico: fixo – fragmentaçãointerna dinâmico – fragmentaçãoexterna e realocaçãodinâmica Solução: Processo é divididoempáginas (blocos de processos)‏ MP é divididaemquadros de mesmotamanho Páginas/quadros/moldurassão de pequenotamanho(ex., 1K): fragmentaçãointernapequena. Paginaçãoeliminafragmentaçãoexterna. SO mantémumaTabelade Páginasporprocesso.

35. Paginação Processonãoprecisaestarcompletamentena MP (veremosadianteemMemória Virtual)‏ Processonãoprecisaocuparáreacontíguaemmemória Endereçossãogeradosdinamicamenteem tempo de execução Somente um registradorentão, não é suficiente Tabela de Páginas

36. Exemplo em Memória Virtual Espaço de Endereçamento Virtual Página Virtual Espaço de Endereçamento Físico Moldura de Página

37. Tabela de Páginas

38. Tabela de Páginas • MMU com 16 páginas de tamanho 4 KB cada. • Endereço lógico: • Bits mais significativos = número da página • Bits menos significativos = deslocamento do endereço dentro de uma página

39. Paginação • Se um processo tem tamanho K, os seus endereços lógicos (endereços especificados nas suas instruções) vão desde 0 até K-1. Este é o espaço de endereçamento do processo. • Cada endereço lógico é quebrado em duas partes: • número da página p • deslocamento d (offset) • Endereço lógico: composto do par (número-da-página, deslocamento), onde número-página é usado como índice para uma entrada na Tabela de Páginas • Acontece relocação dinâmica, pois cada endereço lógico é traduzido em endereço físico em tempo de execução 15 10 9 0 Página (p) deslocamento (d)

40. Realocação Mapeamento de endereços virtuais em reais necessário, pois processos são alocados em espaço de MP dinamicamente Ex.: processo P1 P1: novo pronto executando bloqueado P1 em end. de MP 500 P1 passa para suspenso Ao voltar para MP  P1 vai para end. 1024

41. Realocação Mapeamento eficiente endereço físico só calculado quando acesso a MP endereços definidos: lógico, relativo, físico Registradores: base – armazena o endereço inicial de MP do processo (quando o processo passa para executando)‏ limite – armazena endereço final do processo Acesso ao endereço Z no programa if (Z + base <= limite) acesse Z+base senão “trap”

42. registrador limite comparador int Relocação endereço relativo registrador de base PCB somador programa imagem do processo na memória endereço absoluto dados pilha

43. Paginação

44. Paginação • Processo pode ser executado contanto que haja um número mínimo de páginas na memória (as páginas sendo acessadas) • O espaço de endereçamento lógico é contiguo, o espaço físico equivalente é distribuído/separado. • A tradução é feita de forma transparente pela MMU, que além da TP, mantém um cache das páginas recentemente consultadas.

45. Em suma Paginação • Cada processo P possui a sua Tabela de Páginas, que precisa ser carregada na MMU a cada troca de contexto. • Para tal, cada entrada Tabela Processos(P) contém um ponteiro para a Tabela de Páginas de P. • O dispatcher é o encarregado de "carregar" a nova tabela de páginas na MMU. • Como qualquer acesso à memória ocorre através do mapeamento pela TP. Isso fornece também automaticamente um mecanismo de proteção...contanto que o preenchimento da tabela de página seja feita em modo privilegiado (supervisor)!! • => à medida que as páginas vão sendo alocadas, o núcleo preenche as entradas na tabela de página. • Além disto, kernel precisa manter informações sobre o conjunto de molduras livres na memória principal: • Para isso, usa-se uma tabela de molduras (tabela de moldura de páginas), com uma entrada por moldura, informando se o mesmo está alocado, e para qual processo.

46. Tabela de Páginas – bits de controle • Cada entrada da tabela possui alguns bits adicionais para implementar proteção • um bit para indicar se a página é de apenas leitura (readonly) • um bit para indicar se a página é válida ou inválida • Vejamos:

47. Controle de Acesso • A paginação pode ser facilmente estendida para incorporar controle de acesso para cada página: • além do endereço do quadro da memória, cada entrada da TP contém bits para o tipo de acesso permitido, podendo ser: somente-leitura, leitura-e-escrita ou somente-execução • se uma instrução viola o acesso permitido, a MMU gera outra interrupção (violação de acesso de memória) • a validade de uma operação sob um endereço lógico pode ser testada em paralelo com a obtenção do endereço físico correspondente. • Além disto, pode-se usar bits valido/inválido para marcar as páginas lógicas que efetivamente compõem o espaço de endereçamento lógico do processo • é útil para espaços de endereçamentos grandes e utilizados de forma descontínua • note-se que devido ao problema do não alinhamento de dados com os limites das páginas, esse tipo de controle de acesso não é muito preciso.

48. Entrada da Tabela de Páginas Cache desabilitado Modificada Presente/Ausente Número da moldura de página Referenciada Proteção

49. Implementação da Tabela de Páginas • Conjunto de registradores dedicados • Memória Principal • TLB ou Memória Associativa

50. Tabela de Páginas em Conjunto de Registradores Dedicados • Na mudança de processo em execução estes registradores são carregados com os valores correspondentes ao novo processo. • TP é mantida em um conjunto de registradores dedicados, que são carregados através de instruções privilegiadas (ex. DEC PDP-11) • Pró: não necessita de MMU e tradução é veloz. • Contra: número de entradas é pequeno (tipicamente, de 16 a 64)