Gerenciamento de Memória

1Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição

Gerenciamento de MemóriaParte I•Gerenciamento básico de memória•Troca de processos•Memória virtual•Algoritmos de substituição de páginas

Parte II•Modelagem de algoritmos de substituição de páginas•Questões de projeto para sistemas de paginação•Questões de implementação•Segmentação


Gerenciamento de Memória• Idealmente, o que todo programador deseja é dispor de

uma memória que seja– grande– rápida– não volátil

• Hierarquia de memórias – pequena quantidade de memória rápida, de alto custo - cache – quantidade considerável de memória principal de velocidade

média, custo médio– gigabytes de armazenamento em disco de velocidade e custo

baixos

• O gerenciador de memória trata a hierarquia de memórias


Multiprogramação com Partições Fixas

• Partições fixas de memóriaa) filas de entrada separadas para cada partiçãob) fila única de entrada


Modelagem de Multiprogramação

Utilização da CPU como uma função do número de processos na memória

Maioria dos processos é CPU-Bound

Maioria dos processos é IO-Bound


Análise de Desempenho de Sistemas de Multiprogramação

• Chegada de 4 jobs e suas necessidades de trabalho• Utilização da CPU por até 4 jobs com 80% de espera por E/S• Sequência de eventos entre chegada e término dos jobs

– Note que os números mostram quanto tempo da CPU cada job obtém em cada intervalo


Relocação e Proteção

• Não se sabe com certeza onde o programa será carregado na memória– Localizações de endereços de variáveis e de código de

rotinas não podem ser absolutos• Uma possível solução: instruções do programa são

modificadas segundo a partição de memória em que ele será carregado

• Uma solução para relocação e proteção: uso de valores base e limite – localizações de endereços são somadas ao valor base

antes de serem mapeadas na memória física– localizações de endereços maiores que o valor limite

indicam erro


Troca de Processos (1)

• Alterações na alocação de memória à medida que processos entram e saem da memória

• Regiões sombreadas correspondem a regiões de memória não utilizadas naquele instante


Troca de Processos (2)

a) Alocação de espaço para uma área de dados em expansãob) Alocação de espaço para uma pilha com código e uma área

de dados, ambos em expansão


Gerenciamento de Memória com Mapas de Bits

a) Parte da memória com 5 segmentos de processos e 3 segmentos de memória livre

− pequenos riscos simétricos denotam as unidades de alocação − regiões sombreadas denotam segmentos livres

b) Mapa de bits correspondentec) Mesmas informações em uma lista encadeada


Gerenciamento de Memóriacom Listas Encadeadas

Quatro combinações de vizinhança para o processo X em término de execução


Memória VirtualPaginação (1)

Localização e função da MMU


A relação entre endereços virtuais e endereços físicos de memória dada pela tabela de páginas

Memória Virtual - Paginação (2)


Tabelas de Páginas

a) Endereço de 32 bits com 2 campos (PT1, PT2) para endereçamento de tabelas de páginas

b) Tabelas de páginas com 2 níveis


Tabelas de Páginas

Entrada típica de uma tabela de páginas


Memória Associativa ou TLB

TLB para acelerar a paginaçãoTLB = Translation Lookaside Buffer

(tabela das traduções de endereços mais recentes em um dispositivo; funciona como uma cache para tabelas de página)


Algoritmos de Substituição de Páginas

• A falta de página força uma escolha– qual página deve ser removida– alocação de espaço para a página a ser trazida

para a memória

• A página modificada deve primeiro ser salva– se não tiver sido modificada é apenas sobreposta

• Melhor não escolher uma página que está sendo muito usada– provavelmente precisará ser trazida de volta logo


O Algoritmo de Substituição de Página Não Usada Recentemente (NUR)

• Cada página tem os bits Referenciada (R) e Modificada (M)– Bits são colocados em 1 quando a página é

referenciada e modificada

• As páginas são classificadas Classe 0: não referenciada, não modificada Classe 1: não referenciada, modificada Classe 2: referenciada, não modificada Classe 3: referenciada, modificada

• NUR remove página aleatoriamente – da classe de ordem mais baixa que não esteja vazia


Algoritmo de Substituição de Página Primeira a Entrar, Primeira a Sair

• Mantém uma lista encadeada de todas as páginas– página mais antiga na cabeça da lista– página que chegou por último na memória no final da

lista

• Na ocorrência de falta de página• página na cabeça da lista é removida• nova página adicionada no final da lista

• Desvantagem– página há mais tempo na memória pode ser usada com

muita freqüência


Algoritmo de Substituição de Página Segunda Chance (SC)

• Operação do algoritmo segunda chancea) lista de páginas em ordem FIFOb) estado da lista em situação de falta de página no instante 20, com o bit R da página A em 1 (números representam instantes de

carregamento das páginas na memória)


Algoritmo de Substituição de Página Relógio


Menos Recentemente Usada (MRU)

• Assume que páginas usadas recentemente logo serão usadas novamente– retira da memória página que há mais tempo não é usada

• Uma lista encadeada de páginas deve ser mantida– página mais recentemente usada no início da lista, menos

usada no final da lista– atualização da lista à cada referência à memória

• Alternativamente manter contador em cada entrada da tabela de página– escolhe página com contador de menor valor – zera o contador periodicamente


O Algoritmo de Substituiçãode Página WSClock

Operação

do Algoritmo WSClock


Revisão dos Algoritmos de Substituição de Página


Gerenciamento de Memória

Parte IIModelagem de algoritmos de substituição de páginas

Projeto para sistemas de paginaçãoQuestões de implementação

Segmentação


Modelagem de Algoritmos de Substituição de Página – Anomalia de Belady

• FIFO com 3 molduras de página• FIFO com 4 molduras de página• P mostra quais referências de página causaram faltas de página

Esperado: quanto mais molduras de página a memória possuir, menos faltas de página o programa terá.

Anomalia: neste exemplo, o algoritmo de substituição FIFO tem mais faltas de página (10P) para mais molduras (4)...


Algoritmo de Pilha

Estado do vetor de memória, M, após cada item na cadeia de referências ter sido processado

memória

disco

distância


A Cadeia de Distâncias: serve paraPrevisão de Frequência de Faltas de Página

Cálculo da freqüência de faltas de páginaa) o vetor Cb) o vetor F

Possivelmente, melhor custo-

benefício

3

3

3

1

0

20

14

11

9

8


Controle de Carga

• Mesmo com um bom projeto, o sistema ainda pode sofrer paginação excessiva (thrashing)

• Quando o algoritmo PFF (frequência de falta de páginas) indica– alguns processos precisam de mais memória– mas nenhum processo precisa de menos (ou seja, nenhum pode ceder

páginas)

• Solução :Reduzir o número de processos que competem pela memória– levar alguns deles para disco (swap) e liberar a memória a eles alocada– reconsiderar grau de multiprogramação


Tamanho de Página

Tamanho de página pequeno

• Vantagens– menos fragmentação interna – menos programa não usado na memória

• Desvantagens– programas precisam de mais páginas, tabelas

de página maiores


Espaços Separados de Instruções e Dados

a) Espaço de endereçamento únicob) Espaços separados de instruções (I) e dados (D)


Páginas Compartilhadas

Dois processos que compartilham o mesmo código de programa e, por conseqüência, a mesma tabela de páginas para instruções

Dad

os d

o pr

oces

so 1

Dad

os d

o pr

oces

so 2

P1

P2


Envolvimento do S.O. com Paginação

Quatro circunstâncias de envolvimento:1. Criação de processo

determina tamanho do programa cria tabela de página

2. Execução de processo Inicia MMU (Unidade de Gerenciamento de Memória) para novos

processos

3. Ocorrência de falta de página determina endereço virtual que causou a falta descarta, se necessário, página antiga carrega página requisitada para a memória (swap)

4. Terminação de processo Libera tabela de páginas, páginas, e espaço em disco que as

páginas ocupam


Gerenciamento da falta de páginas

1) Chamadas do kernel pela MMU - hardware desvia a execução para o núcleo (kernel)

2) Salvamento dos registradores de uso geral

3) S.O. determina página virtual requerida

4) S.O. valida endereço e remove página da memória

5) Se página modificada, escreve para o disco

6) S.O. lê página do disco e põe na memória principal

7) Atualiza tabelas de páginas

8) Executa do começo a instrução que provocou a falta

9) Processo colocado em “pronto”

10) Registradores restaurados

11) Programa continua


Fixação de Páginas na Memória

• Memória virtual e E/S interagem ocasionalmente• Processo (1) emite chamada ao sistema para ler do

disco para o buffer– enquanto espera pela E/S, outro processo (2) inicia– ocorre uma falta de página para o processo 2– buffer do processo 1 pode ser escolhido para ser levado

para disco – problema!

• Solução possível– Fixação de páginas envolvidas com E/S na memória


Memória Secundária

(a) Paginação para uma área de troca estática(b) Páginas alocadas dinamicamente em disco


Segmentação (1)

• Espaço de endereçamento unidimensional com tabelas crescentes

• Uma tabela pode atingir outra…

, que contém a análise sintática do programa

variáveis


Segmentação (2)

Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente


Comparação entre paginação e segmentação


Sistemas de Arquivos

Infra-estrutura de Software

•Arquivos •Diretórios •Implementação do sistema de arquivos•Gerenciamento de espaço em disco


Armazenamento da Informação a Longo Prazo

1. Deve ser possível armazenar uma quantidade muito grande de informação

2. A informação deve sobreviver ao término do processo que a usa – persistência

3. Múltiplos processos devem ser capazes de acessar a informação concorrentemente – compartilhamento


Nomeação de Arquivos

Extensões típicas de arquivos


Estrutura de Arquivos

• Três tipos de arquivosa) seqüência de bytesb) seqüência de registrosc) árvore


Tipos de Arquivos

(a) Um arquivo executável (b) Um repositório (archive)

Identifica arquivo como executável

Endereço no qual a execução deve

iniciar

Mais adiante...

Para uso na memória

Para depuração


Acesso aos Arquivos

• Acesso sequencial– lê todos os bytes/registros desde o início– não pode saltar ou ler fora de seqüência– conveniente quando o meio era a fita magnética

• Acesso aleatório– bytes/registros lidos em qualquer ordem– essencial para sistemas de bases de dados– ler pode ser …

• mover marcador de arquivo (seek), e então ler ou …• ler e então mover marcador de arquivo


Atributos de Arquivos

Possíveis atributos (flags) de arquivos

para quando registro é

consultado usando uma

‘chave’


Operações com Arquivos

1. Create

2. Delete

3. Open

4. Close

5. Read

6. Write

7. Append

8. Seek: ponteiro para acesso aleatório

9. Get attributes

10.Set Attributes

11.Rename


DiretóriosSistemas de Diretório em Nível Único

• Um sistema de diretório de nível único– contém 4 arquivos– propriedades de 3 pessoas diferentes, A, B, e C


Sistemas de Diretórios em Dois Níveis

As letras indicam os donos dos diretórios e arquivos


Sistemas de Diretórios Hierárquicos

Um sistema de diretório hierárquico


Uma árvore de diretórios UNIX

Nomes de Caminhos (pathnames)


Operações com Diretórios

1. Create

2. Delete

3. Opendir

4. Closedir

5. Readdir

6. Rename

7. Link

8. Unlink


Implementação do Sistema de Arquivos

Um possível layout de sistema de arquivo

Master Boot Record: Registro Principal do Boot,

usado para iniciar o computador

Principais parâmetros do sistema de arquivo – ex. tipo

do sistema de arquivos, número de blocos do

sistema

Estrutura de dados com informações sobre um

arquivo, sendo um i-node por arquivo


Implementação de Arquivos (1)

(a) Alocação contígua do espaço em disco para 7 arquivos(b) Estado do disco depois dos arquivos D e E terem sido removidos



Armazenamento de um arquivo como uma lista

encadeada de blocos de disco

Término de A

Término de B



Um exemplo de i-node


Implementação de Diretórios

(a) Um diretório simplesentradas de tamanho fixoendereços de disco e atributos na entrada de diretório

(b) Diretório no qual cada entrada se refere apenas a um i-node


Arquivos Compartilhados (1)

Sistema de arquivo contendo um arquivo compartilhado


Arquivos Compartilhados (2)

(a) Situação antes da ligação(b) Depois de a ligação ser criada(c) Depois de o proprietário (C) remover o arquivo (i-node deixado

intacto para evitar erro, já que B não é o proprietário – e continua na conta de alocação de C…)


Gerenciamento do Espaço em Disco

Considerações relevantes:• Tamanho do bloco: eficiência• Monitoramento de blocos livres (ex. mapas de

bits)• Cotas de usuários


O que vimos:Módulo I

• Conceitos: SO (“máquina estendida”), Processo e outros

• Escalonamento de Processos

• Entrada/Saída

• Gerenciamento de Memória

• Sistemas de Arquivos

S e g u e…S e g u e…


Próximas Datas Importantes

• 22/04/2008 Lab: Processos, Escalonamento, I/O,

Memória e

Aula de revisão

• 24/04/2008 1º Exercício Escolar

• 29/04/2008 Entrega dos projetos

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