3. Gestão de Memória

1. 3. Gestão de Memória

2. Introdução • É da responsabilidade do sistema operativo gerir a memória disponível no sistema: • Representação do estado da memória • Atribuição de memória aos processos • Libertação da memória • Conjugação entre a memória principal e secundária

3. Sistemas Mono-programados • Programas executados à vez • Mediante um comando, o SO carrega o programa em memória principal, e este corre até terminar • Programas limitados à dimensão da memória • Para minorar este problema surgiu a técnica dos overlays – partes de programas (definidas pelo programador) são carregadas em memória • Protecção da memória ocupada pelo SO • Registo Fronteira – registo do processador que é carregado com o endereço limite do sistema operativo

4. Espaço de endereçamento Espaço de endereçamento DeviceDrivers Programa Programa ROM RAM SistemaOperativo SistemaOperativo RAM Sistemas Mono-programados • Organização da memória Fronteira

5. Sistemas Multi-programados • Grau de multi-programação • Uma medida aproximada da utilização do CPU quando vários programas correm “simultaneamente” • Suponha que os processos passam uma fracção do tempo da sua existência – p – bloqueados em operações de I/O • Se n processos estiverem a correr, a probabilidade do CPU estar desocupado será então dada por pn (corresponde à probabilidade de todos os processos estarem bloqueados em operações de I/O) • A taxa de ocupação do CPU será então dada por 1-pnn designa-se por grau de multi-programação

6. Sistemas Multi-programados • Grau de multi-programação A curva que melhor se ajusta à realidade estará situada entre 80% e 90% I/O

7. Sistemas Multi-programados • Partições fixas • Memória dividida em várias partições de dimensão fixa, definidas inicialmente pelo gestor de sistema • Cada programa é carregado numa partição com uma dimensão adequada • Fragmentação da memória: • Interna – espaço desperdiçado dentro de cada partição • Externa – partições inteiras desperdiçadas.

8. 800K Partição 3 800K Partição 3 700K Partição 2 700K Partição 2 500K Partição 1 500K Partição 1 100K SistemaOperativo 100K SistemaOperativo 0K 0K Sistemas Multi-programados • Formas de implementação Múltiplas filas Fila única

9. Sistemas Multi-programados • Colocação e Protecção • A multi-programação trouxe dois problemas a resolver: • Colocação – garantir que os endereços referenciados por um programa sejam os correctos independentemente da posição de memória a partir da qual é carregado • Registo Base – a todos os endereços referenciados pelo programa soma-se o endereço base da partição onde este é carregado. Os programas são escritos como se o primeiro endereço fosse 0. • Protecção – impedir que um programa aceda aos endereços de um outro programa • Registo Limite – verifica-se se os endereços referenciados pelo programa se encontram dentro da partição que lhe é atribuída

10. End < Limite ? N S End = Base + End Falha de protecção Sistemas Multi-programados • Colocação e Protecção • Exemplos Base e limite para a partição 1 896K Partição 3 Verificação de acesso ao endereço End 768K Partição 2 512K Partição 1 Limite = 384K Programa Base = 128K 128K SistemaOperativo 0K

11. Sistemas Multi-programados • Partições variáveis • Outro esquema consiste em atribuir partições com dimensões dinâmicas, ajustadas à dimensão dos programas • Deixa de existir fragmentação interna, mas continua a haver fragmentação externa • Para resolver a fragmentação, utiliza-se de tempos em tempos um procedimento de agrupamento da memória num bloco de endereços contíguos – compactação da memória

12. Sistemas Multi-programados • Swapping • Esquema que envolve a memória principal e a memória secundária (disco) • A ideia consiste em transferir processos da memória principal para o disco e vice-versa • Um possível critério será transferir para o disco um processo que bloqueie, e trazer para a RAM um processo que se torne activo • Esta estratégia é utilizada em conjunto com partições de dimensões variáveis • Conduz à proliferação de buracos (fragmentação) – é necessário recorrer à compactação da memória

13. Sistemas Multi-programados • Exemplo

14. Sistemas Multi-programados • Representação da memória • Estrutura-se a memória em unidades(blocos) de dimensão fixa • Representa-se o estado da memóriaatravés de: • Listas ligadas • Bitmaps 1110000110011110 1 – representa bloco ocupado0 – representa bloco livre

15. Sistemas Multi-programados • Algoritmos • First fit – procura o primeiro buraco da lista com dimensão suficiente para carregar o programa • Next fit – variante do anterior – procura a partir do ponto em que foi encontrado um buraco anteriormente • Best fit – procura o buraco com a dimensão que melhor se ajusta ao programa a carregar • Worst fit – procura o maior buraco disponível, na esperança de que o espaço que sobra possa ainda ser utilizado por outros programas a carregar no futuro • Quick fit – mantém várias listas de buracos, agrupados de acordo com as suas dimensões

16. Sistemas Multi-programados • Memória dinâmica • Um processo pode ter necessidade de obter mais memória em tempo de execução • Uma solução seria efectuar swap-out do processo e depois swap-in com uma nova dimensão • Demasiado lento... • Outra solução será reservar antecipadamente espaço para crescimento do stack e da heap • Rápido, mas com algum desperdício de memória(é o mais utilizado)

17. Sistemas Multi-programados • Na linguagem C existem algumas funções que para manipulação de memória dinâmica • malloc(size_t m)reserva um bloco de m bytes e devolve um apontador para o bloco criado • calloc(size_t n, size_t m)reserva dinamicamente um array de n elementos com m bytes cada um. Devolve um apontador para a primeira posição do array criado • free(*ptr)liberta o espaço referenciado pelo apontador ptr. Este apontador pode ser o devolvido anteriormente por malloc ou calloc

18. Sistemas Multi-programados • Na linguagem C++ existem dois operadores: • new – para reserva de dinâmica de memória • delete – para libertação de memóriaPara além de manipulação da memória, estes operadores invocam construtores e destrutores. • Outras linguagens (e.g., java) utilizam garbage collectors (a reserva/manipulação de memória dinâmica é efectuada pelo interpretador/compilador)

19. Memória Virtual • Espaço de endereçamento virtual • Espaço de endereçamento que engloba a memória primária e secundária, tirando partido da sua dimensão pode ser muito superior à da memória RAM • O endereçamento virtual difere do swapping visto anteriormente – cada processo pode ter partes carregadas em memória principal, partes em memória secundária, ou em ambos os lados • Para gestão de memória virtual são habitualmente utilizados dois métodos: • Paginação – o mais utilizado (Linux e Windows) • Segmentação – pode ser utilizado com a paginação

20. Memória Virtual • Endereços reais • Endereços físicos que correspondem ao acesso aos dispositivos de uma forma directa • Endereços virtuais • Endereços utilizados internamente pelo sistema, e que não estão ligados aos dispositivos físicos de uma forma directa – um endereço virtual pode ser muito diferente de um endereço real • São convertidos em endereços reais através de estruturas e algoritmos nos quais intervém o S.O. e também uma unidade de hardware designada MMU (Memory Management Unit)

21. Memória Virtual • MMU (Memory Management Unit) • A função da MMU é converter endereços virtuais em endereços físicos • Notifica o sistema se for feito um acesso a um endereço virtual que não corresponde fisicamente à memória principal (page fault)

22. Memória Virtual • Caracterização dos endereços

23. Memória Virtual – Paginação • PaginaçãoMétodo mais comum de gestão da memória virtual • Páginas (pages)O espaço de endereçamento virtual é divido em blocos de dimensão fixa designadas por páginas.A dimensão de cada página é uma potência de 2 • Molduras (page frames)A memória principal é dividida em blocos com a capacidade de alojarem uma página – estes blocos designam-se por molduras ou page frames

24. 512K 256K 192K 448K x 128K 384K x 64K 320K 00K 256K 192K x 128K 64K x 00K Memória Virtual – Paginação • Paginação Espaço virtual RAM molduras páginas Endereço virtual 478K = 448K+30K Endereço físico 128K+30K = 158K

25. Memória Virtual – Paginação • Tabelas de páginas(Page Tables)

26. Memória Virtual – Paginação • Descritores • Bit de presença – Indica se a página se encontra carregada na memória principal ou não • Moldura – Índice da moldura(page frame) – osbits mais significativos do endereço base da moldura onde a página se encontra localizada • Protecção – Bits de protecção da página (e.g., read-only) • Controlo – Bits auxiliares para o funcionamento dos algoritmos de substituição de páginas

27. Memória Virtual – Paginação • Exemplo

28. Memória Virtual – Paginação • Page faults • Quando é acedida uma página que não se encontra na memória principal, ocorre umapage fault • Uma page fault é uma excepção que causa bloqueio ao processo em questão • Inicia-se o de carregamento da página em falta, da memória secundária para a memória principal • Efectuam-se as alterações necessárias na page table, de modo a esta continuar consistente • Pode ser necessário transferir uma outra página para a memória secundária, de modo a libertar-se uma page frame – nesse caso corre-se o algoritmo de substituição de páginas

29. Memória Virtual – Paginação • Tabelas multi-nível • Cada processo tem associado ao seu espaço de endereçamento uma tabela de páginas • A tabela de páginas de cada processo tem que estar carregada em memória • Para minimizar o espaço em memória ocupado pelas tabelas de páginas, utilizam-se habitualmente tabelas multí-nivel • Guardam-se na memória uma tabela principal (directoria) e as tabelas dos restantes níveis, que contém os descritores das páginas que estão a ser utilizadas pelo processo • Estas tabelas têm uma dimensão muito mais pequena do que se fosse utilizado um esquema com um só nível

30. Memória Virtual – Paginação • Exemplo

31. Memória Virtual – Paginação • TLB (Translation Lookaside Buffer) • Quando é efectuada uma conversão de um endereço virtual para endereço físico, é necessário consultar a page table correspondente • Como consequência da page table se encontrar também carregada em memória, então são feitos acessos extra à memória. • Para minorar, e muitas vezes eliminar, o desperdício de tempo feito por estes acessos, as MMUs contém geralmente uma espécie de cache para páginas, designada TLB

32. Memória Virtual – Paginação • Uma TLB mantém um conjunto de descritores das páginas acedidas mais recentemente • Esta táctica resulta porque cada processo tende a utilizar mais exaustivamente um pequeno conjunto de páginas • Tipicamente uma TLB tem espaço para 64 ou 128 descritores de páginas • Quando uma página é descartada da memória principal, é também libertada a entrada correspondente na TLB

33. Memória Virtual – Paginação • Algoritmos de substituição de páginas • O algoritmo ideal • Sempre que for necessária uma substituição de páginas, a que deveria sair será aquela que só será utilizada daqui a mais tempo • Este algoritmo não é realizável, pois os S.O.s não conseguem prever o futuro... • A aproximação é tentar descartar as páginas que são pouco utilizadas, ou que já não são utilizadas há muito tempo, na esperança de que não venham a ser utilizadas brevemente

34. Memória Virtual – Paginação • NRU (Not recently used) • Quando ocorre uma page fault, este algoritmo classifica as páginas carregadas em memória. • Para tal utiliza dois bits: • R (Referenced) – indica que a página foi acedida desde a última interrupção do relógio • M (Modified) – indica que a página foi modificada desde que foi carregada na memória principal • Estabelecem-se 4 classes diferentes, de acordo com R e M • Classe 0: R=0 e M=0 • Classe 1: R=0 e M=1 • Classe 2: R=1 e M=0 • Classe 3: R=1 e M=1 • A página a substituir será uma pertencente à classe mais baixa encontrada

35. Memória Virtual – Paginação • FIFO(First-in, first-out) • A página a substituir é a que se encontra carregada há mais tempo na memória principal • Algoritmo de fácil implementação, bastando ter uma lista com índices de páginas, com a mais antiga no topo e a mais recente no fim • À medida que as páginas vão sendo carregadas na memória, os seus índices vão também sendo acrescentados ao fim da lista mantida pelo algoritmo • Problema: a página que foi carregada há mais tempo pode estar a ser utilizada...

36. f e d c b a bit R 0 0 1 0 1 1 b a f e d c é descartada 0 0 0 0 1 Memória Virtual – Paginação • Segunda chance • Algoritmo baseado no FIFO, mas que utiliza o bit de referência (R) • Antes de uma página ser descartada, analisa-se o bit R e, caso este se encontre a “1”, então é posto a “0”, mas a página não é descartada, analisando-se a próxima. • A página a descartar será a primeira que for encontrada com R=0

37. f a b g e h d c a c d e b f g h 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 Memória Virtual – Paginação • Relógio • Semelhante ao algoritmo da segunda chance, mas a lista de páginas é circular • Deste modo ganha-se eficiência pois deixa de ser necessário retirar estruturas do topo da lista para as inserir no fim

38. Memória Virtual – Paginação • LRU (Least recently used) • A página a substituir será a que não é acedida à mais tempo • Para tal, guarda-se para cada página uma marca temporal com o tempo do último acesso • Teoricamente este algoritmo é o que efectua a melhor escolha na página a substituir • Bom desempenho a um custo elevado: • Na prática, este algoritmo obriga à existência de um temporizador extra (pois as interrupções do relógio são demasiado “lentas”) • Para além disso, exige bastante espaço para guardar as marcas temporais (e.g. 64 bits) sempre que uma página é acedida

39. Memória Virtual – Paginação • NFU (Not frequently used) • Algoritmo que tenta efectuar uma aproximação ao algoritmo LRU • Associado um contador a cada página carregada em memória, inicializado a zero quando a página é carregada • Sempre que ocorre uma interrupção do relógio, e para cada página, soma-se o valor do bit R ao contador • Problema: uma página muito acedida no início, mas que depois deixe de ser acedida fica com um valor elevado no contador, pelo que poderá persistir na memória

40. Memória Virtual – Paginação • Aging • Variante do algoritmo NFU, que tenta resolver o problema descrito anteriormente • Em vez de somar o bit R ao valor do contador, desloca-se o seu conteúdo para a direita com entrada série do bit R • Deste modo consegue-se que uma página muito acedida no passado, mas que já não está a ser utilizada, fique com o valor do contador a zero após algumas interrupções do relógio • Algoritmo com melhor relação custo/desempenho

41. Memória Virtual – Paginação • Thrashing • Um CPU actual executa cada instrução em menos de 1 nano-segundo • Quando ocorre uma page fault, o carregamento de uma página para a memória principal poderá demorar um tempo na ordem mili-segundos • O carregamento de uma página é cerca de 1.000.000 de vezes mais lento que a execução de uma instrução... • Quando um grupo de processos começa a gerar page faults a um ritmo muito elevado diz-se que se entrou numa fase de thrashing – esta situação deve ser evitada a todo o custo

42. Memória Virtual – Paginação • Working Set • O Working Set é o conjunto de páginas que estão a ser utilizadas por um processo • Se todo o Working Set de um processo está carregado em memória, então não ocorrem page faults • Tirando partido deste facto, existem algoritmos de substituição de páginas que funcionam tendo em conta o working set de um processo • A ideia será substituir páginas que não se encontrem dentro do working set de um processo

43. Memória Virtual – Paginação • Política de carregamento de páginas • Paginação a pedido (Demand paging)As páginas de um processo vão sendo carregadas à medida que ocorrem page faults – esta abordagem faz com que ocorram page faults inicialmente, até ser estabelecido o working set do processo • Paginação por antecipação (Prepaging)Antes do processo correr, o SO carrega para a memória um conjunto de páginas – a sua previsão do working Set

44. Memória Virtual – Segmentação • Outro método de gestão de memória virtual é a segmentação • A segmentação providencia diferentes espaços de endereçamento linear designados segmentos • Um segmento é um conjunto de endereços lineares desde 0 até um máximo • Segmentos diferentes podem ter dimensões diferentes • Um processo pode possuir diferentes segmentos

45. Memória Virtual – Segmentação • Com o tempo, o swapping e a libertação de segmentos origina fragmentação... Fragmentação

46. Memória Virtual – Segmentação • A gestão de memória segmentada é feita com recurso a tabelas de descritores de segmentos

47. Memória Virtual – Segmentação • Vantagens: • Fácil implementação de partilha de dados • Divisão de um processo em segmentos diferentes (e.g., código, heap, stack) • Múltiplos espaços de endereçamento linear por processo • Desvantagens: • Maior fragmentação da memória • Impossibilidade de se definirem segmentos maiores do que a memória física (a não ser que se utilize também paginação ou overlays)

48. Memória Virtual – Misto • De forma a tirar partido da paginação e da segmentação pode-se utilizar um esquema misto • A um esquema misto também se costuma dar o nome segmentação com paginação • Um esquema misto era utilizado no sistema operativo Multics • O processador Pentium também contém suporte para este tipo de esquema, mas os SOs Linux e Windows não tiram partido desta potencialidade

49. Memória Virtual – Misto • Vantagem: • Elimina as desvantagens de um esquema puro de segmentação, mas mantém as suas vantagens • Desvantagens: • Maior complexidade das MMUs • Mais acessos à memória para conversão de endereços virtuais em físicos

50. Gestão de Memória – UNIX • As primeiras versões do UNIX utilizavam gestão de memória baseadas em partições variáveis e swapping • Actualmente, praticamente todas as versões do UNIX utilizam memória virtual paginada • Processos responsáveis pela gestão de memória • page daemon – gere as page tables e o core map, e executa algoritmo de substituição de páginas • swapper– efectua as transferências de páginas entre a memória principal e secundária