Sistemas Operacionais

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Salvador Flávio Meneses
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1 Introdução Memória virtual Trabalho sob a Licença Atribuição-SemDerivações-SemDerivados 3.0 Brasil Creative Commons. Para visualizar uma cópia desta licença, visite Aula 22 Modelos de gerência de memória vistos até agora mapeiam todo o espaço lógico do processo no espaço físico (RAM) Consequências Tamanho do processo é limitado pela capacidade da memória real do sistema Limitação do grau de multiprogramação Desperdício de memória por alocações desnecessárias Área de heap prevista, rotinas de tratamento de exceção (erros), rotinas pouco usadas ou usadas apenas em algumas fases, etc Se não há memória disponível, não se pode criar processos Swapping e overlay (sobreposição) são soluções paliativas Desempenho prejudicado pelo movimento de processos ou de sobreposições 2 Memória virtual Localidade de referência Técnica que permite a execução de processos que não estão completamente carregados em memória Objetivo é utilizar memória física de forma eficiente Carrega para a memória apenas os trechos do processo que são necessários para sua execução em determinado momento Possibilita a execução de processos maiores que a capacidade de RAM Aumenta grau de multiprogramação Princípio básico Localidade de referência Memória total disponível = capacidade da RAM + tamanho da área de swap Localidade de referência Temporal: regiões de código e dados tendem a ser acessados novamente dentro de um período de tempo próximo Exemplo: comandos em laços for, while, do-while Espacial: regiões de código e dados acessados tendem a ser próximas Exemplo: instrução i+1 execução da instrução i; acessos a elementos de vetores Consequência: NÃO é necessário ter o processo inteiro carregado em memória, apenas os trechos necessários em um dado intervalo de tempo Possível estimar esses pedaços (subconjunto de páginas do processo) 3 4

2 Implementação de memória virtual Vantagens e desvantagens de memória virtual Emprega mecanismos de alocação de memória não contíguo Necessário suporte por hardware para a paginação, segmentação ou segmentação com paginação Necessário: Controlar o fluxo de páginas (ou segmentos) entre a RAM e a área de swap (memória secundária disco) Gerenciar áreas livres e ocupadas na RAM e no disco Mapeamento da memória lógica em memória física Substituição de páginas/segmentos ( rodízio ) Área de swap Dimensionamento Formatação específica ou mesma do sistema de arquivos Vantagens: Capacidade de executar programas maiores que o tamanho da RAM Reduz quantidade de operações de E/S por não carregar todo o processo em memória (carrega apenas páginas ou segmentos necessários) Aumenta grau de multiprogramação por reduzir a quantidade de memória necessária para um processo executar (só carrega o que realmente usa!!) Desvantagens: Desempenho: acesso a área de swap é mais lenta que acesso a RAM Aumento da memória física é sempre a melhor solução!! 5 6 Paginação por demanda Questões para implementação paginação por demanda Implementação da memória virtual baseada em paginação Princípio básico Carregar e manter em memória apenas as páginas necessárias em determinado momento localidade de referência Processo fica parcialmente em memória Alocação de memória por demanda Em caso de falta de memória, executa um rodízio entre os trechos em memória e em disco n Processo RAM Apesar de usar a área de swap, osistema está paginando (page-in epage-out). Conceitualmente, swap é a movimentação do 0 processo inteiro... Page-out Área de swap Page-in... 7 Gerenciamento de páginas e quadros Manutenção da informação de quadros livres e ocupados (bit map) Localização das páginas (memória, área de swap ou ainda não foi criada)? Quando (e de onde) carregar uma página? Desempenho Algoritmos para alocação de memória Quanto de memória é necessário alocar na criação de um processo? Quanto de memória é usado durante a execução do processo? Algoritmos de substituição Qual página ou processo deve deixar a RAM para liberar espaço? Próximas aulas 8

3 Localização das páginas Carregamento de páginas Uma referência de memória está sempre associada a uma página Situações possíveis Página está carregada na memória (página presente) Página está na área de swap (página ausente) Página não está na memória, nem no swap (página ausente e não alocada) Comportamento típico das áreas dinâmicas (pilha e heap) Página não alocada corresponde a entrada inválida na tabela de páginas Modificações nas entradas da tabela de página Inclusão de novos bits de gerenciamento (bit de presente/ausente; bit de modificação*, bits de referência * ou informação de acesso*) Quadro associado a página OU local de armazenamento da página no disco *serão necessários para os algoritmos de substituição de páginas Quando carregar uma página? Na inicialização de processos Mínimo teórico: página da função main() e página para pilha Por demanda A medida que o processo executa e precisa páginas que não estão na memória De onde carregar a página? Área de swap (código, dados, heap e pilha) Do próprio executável (áreas read-only como o código) 9 10 Falta de páginas (page fault) Esquema geral da paginação por demanda Ocorre quando a página necessária a execução não está na memória Necessário buscar página no disco OU mapear no espaço de endereçamento (se ainda não existe nova alocação) p é a probabilidade de acontecer um page fault (0 p 1) p=0, todas as referências NÃO provocam faltas de página p=1, todas as referências resultam faltas de página Tratador de faltas de páginas Acionado por uma interrupção de hardware de falta de páginas Executa a leitura de página faltante (swap ou executável) ou cria nova página Pode implicar na necessidade de substituir uma página para liberar espaço para a nova Reinicia a execução do processo Sequência de eventos mov ax,m Sisop 1 2 i RAM 6 F n Área de swap ou imagem executável Tabela de página 4 5 F 0 3 Páginas associadas ao núcleo do sistema operacional são pinadas na memória, isso é, NUNCA vão provocar falta de página

4 Desempenho da paginação por demanda (aproximação) Exemplo: desempenho da paginação por demanda Tempo de acesso efetivo Tempo de acesso a memória é na ordem de 10 a 200 ns Tempo do tratador de interrupção e reinicio do processo (1 a 100 us) Tempo de acesso ao disco para ler a página cerca de 8 ms Tempo médio de acesso a tabelas e dado onde: t acesso é tempo médio para acessar página na memória t page_fault é o tempo médio para o tratamento da falta de páginas e acessar a posição de memória que a provocou p é a probabilidade de taxa de falta de páginas (0 p 1.0) Exemplo 1: tempo acesso: 200 ns tempo page fault: 8 ms t e =(1-p) * 200 ns + p * ns t e = ( x p) ns Se p=1/1000 t e 8,2 us (40 vezes t acesso ) Exemplo 2: degradação inferior a 10% no tempo de acesso (< 220ns) 220 (1-p)*200 + p* = p p (1 page fault a cerca de cada acessos) Desempenho da paginação por demanda Otimizações para o swap Depende de dois fatores De apresentar baixa taxa de faltas de páginas Número de vezes que há cargas de páginas Manter em memória um conjunto adequado de páginas Diminuir o tempo de acesso ao disco Tempo gasto para carregar as páginas Procedimentos de swap-in e swap-out Páginas não modificadas podem ser sobrescritas (economiza swap-out) Selecionar páginas menos útil para swap-out Algoritmos de substituição Partição de swap com formatação específica Partição = divisão de um disco físico em discos lógicos diferentes Organiza os dados no disco de forma diferente do sistema de arquivos convencional possibilitando um acesso mais rápido 15 16

Copy-on-write Leituras complementares Na criação (fork) não é necessário criar a cópia do pai, basta criar uma tabela de páginas para o filho idêntica a do pai Ação copy-on-write Se um dos processos,

5 Copy-on-write Leituras complementares Na criação (fork) não é necessário criar a cópia do pai, basta criar uma tabela de páginas para o filho idêntica a do pai Ação copy-on-write Se um dos processos, pai ou filho, modificar a página, cria-se a cópia Páginas não modificadas podem ser compartilhadas Deve-se marcar essas páginas para não liberar elas em caso de término de um dos processos (pai ou filho) A. Tanenbaum. Modernos (3 a edição), Pearson Brasil, Capítulo 3: (seções 3.4, 3.7) A. Silberchatz, P. Galvin;. (7 a edição). Campus, Capítulo 9 (seções 9.1 e 9.2) R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani;. Editora Bookman 4 a edição, 2010 Capítulo 7 (seção 7.1) Silberschatz, A.; Galvin, P; Gagne, G. Operating System Concepts, 9th ed

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