Sistemas Operacionais

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1 Sistemas Operacionais Aula 13 Gerência de Memória Prof.: Edilberto M. Silva Baseado no material disponibilizado por: SO - Prof. Edilberto Silva Prof. José Juan Espantoso

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 SO - Prof. Edilberto Silva 2

3 Introdução Memória: local onde se pode armazenar (temporária ou permanentemente) um determinado conteúdo. Memória de curto prazo (Volátil) é aquela que precisa ser constantemente alimentada, senão perderá as informações armazenadas nela. Exemplos: Memória Principal, Registradores e Cache. Memória de longo prazo (Não Volátil) é aquela que não necessita de alimentação constante para guardar as informações nela armazenadas. Exemplos: Discos Flexíveis e Rígidos, CD-ROM e Fitas. SO - Prof. Edilberto Silva 3

4 Introdução Códigos e Memórias UCP Fluxo de dados Memória Principal Código de Processo Fluxo de dados Memória Secundária Código de Programa SO - Prof. Edilberto Silva 4

5 Introdução Códigos e Memórias: Processos somente executam em memória principal; Programas podem estar guardados em memória secundária até sua execução; O próprio sistema operacional (ou parte dele) necessita executar na memória principal. O SO gerencia toda a utilização da memória, além da migração de programas da memória principal para a secundária e vice-versa. SO - Prof. Edilberto Silva 5

6 Introdução Questões Típicas de Gerência de Memória: Onde colocar um novo processo sem destruir um outro que já está atualmente na memória? Como impedir que um processo em execução altere os dados de outro? O que acontece se um processo precisa ser executado, mas não há espaço na memória? Se um processo que não está na memória tem de ser executado, mas a memória está cheia, o que se pode remover da memória? SO - Prof. Edilberto Silva 6

7 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 SO - Prof. Edilberto Silva 7

8 Gerência de Memória Gerência de Memória: Os sistemas de gerência de memória podem ser divididos em duas grandes categorias; Aqueles que movem os processos entre a Memória Principal e disco (Swapping e Paginação); E aqueles que não movimentam os processos entre tais dispositivos de armazenamento. SO - Prof. Edilberto Silva 8

9 Alocação Contígua Simples Essa alocação foi implementada nos primeiros sistemas operacionais desenvolvidos; Nesse tipo de organização a memória principal é dividida em duas partes: uma para o sistema operacional e outra para o programa do usuário; Dessa forma, o programador deve desenvolver suas aplicações, preocupado, apenas em não ultrapassar o espaço de memória disponível; Nesse esquema o usuário tem controle sobre toda a memória principal, podendo acessar qualquer posição de memória; SO - Prof. Edilberto Silva 9

10 Alocação Contígua Simples Proteção 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 R e g i s t r a d o r Á r e a p a r a p r o g r a m a SO - Prof. Edilberto Silva 10

11 Alocação Contígua Simples Apesar de sua fácil implementação a alocação contígua simples não permite a utilização eficiente do processador e da memória; Em relação à memória, caso o programa do usuário não a preencha, existirá um espaço de memória sem utilização; Por outro lado, caso o programa fosse maior que a memória disponível esse não poderia ser executado; A solução encontrada foi dividir o programa em partes (módulos), de forma que pudessem executar independentemente uma da outra, utilizando uma mesma área de memória; Essa técnica é chamada de overlay (sobreposição); Suponha, por exemplo, um programa que tenha três módulos: um principal, um de cadastramento e outro de impressão, sendo os módulos de cadastramento e impressão independentes; SO - Prof. Edilberto Silva 11

12 Subutilização da memória 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 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 SO - Prof. Edilberto Silva 12

13 Técnica de Overlay Técnica de Overlay M e m ó r i a P r i n c i p a l 2 K b S i s t e m a O p e r a c i o n a l C a d a s t r a m e n t o 3 K b M ó d u l o p r i n c i p a l 4 K b 4 K b Á r e a d e o v e r l a y I m p r e s s ã o 1 K b Á r e a l i v r e 2 K b Á r e a n ã o u t i l i z a d a 2 K b SO - Prof. Edilberto Silva 13

14 Alocação Contígua Simples Apesar de executar apenas um programa aplicativo na memória, outros programas (ou partes deles) podem também habitar a memória; Os próprios sistemas operacionais consistem de programas residentes e transientes. Os programas residentes sempre estão presentes na memória. Os programas transientes só estão presentes na memória quando chamados (necessário). SO - Prof. Edilberto Silva 14

15 Alocação Particionada Existem alguns métodos que visam particionar a memória de maneira eficiente e segura. Dentre esses: Partições Fixas ou estáticas: tanto em sistemas monoprogramados quanto em multiprogramados, uma abordagem simples para gerenciamento de memória envolve a divisão da memória em regiões de tamanho fixo, denominadas partições. O SO manipula uma tabela que contém informações a respeito das partições (tabela de partições). Uma vez determinado o tamanho da partição, ele não poderá ser alterado. SO - Prof. Edilberto Silva 15

16 Alocação Particionada Estática Alocação Particionada Estática M e m ó r i a P r i n c i p a l T a b e l a d e p a r t i ç õ e s S i s t e m a O p e r a c i o n a l P a r t i ç ã o T a m a n h o P a r t i ç ã o 1 2 K b 1 2 K b 2 5 K b 3 8 K b P a r t i ç ã o 2 5 K b 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 : P a r t i ç ã o 3 8 K b E D C B A 3 K b 6 K b 1 K b 4 K b 2 K b SO - Prof. Edilberto Silva 16

17 Alocação Particionada Estática 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 C A P a r t i ç ã o 1 2 K b 1 K b 2 K b E B P a r t i ç ã o 2 5 K b 3 K b 4 K b D P a r t i ç ã o 3 8 K b 6 K b SO - Prof. Edilberto Silva 17

18 Alocação Particionada Estática 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 P r o g r a m a C 2 K b D E P r o g r a m a A 5 K b 6 K b 3 K b P r o g r a m a B 8 K b SO - Prof. Edilberto Silva 18

19 Alocação Particionada Estática Tabela de Alocação de Partições M e m ó r i a P r i n c i p a l P a r t i ç ã o T a m a n h o L i v r e S i s t e m a O p e r a c i o n a l 1 2 K b N ã o 1 P r o g r a m a C 2 5 K b S i m 3 8 K b N ã o 2 Á r e a l i v r e 3 P r o g r a m a B SO - Prof. Edilberto Silva 19

20 Alocação Particionada Estática - Sempre que um programa é carregado para a memória, o SO examina a tabela de partições e se há uma entrada indicando uma partição vazia, o SO armazena nela o código do processo; O SO também deve alterar a entrada na tabela para refletir a modificação das novas partições ocupadas. Isso deve acontecer tanto quando o processo inicia, quanto quando o processo termina seu processamento. SO - Prof. Edilberto Silva 20

21 Alocação Particionada Estática Proteção 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 SO - Prof. Edilberto Silva 21

22 Alocação Particionada Estática Proteção Registradores de Limites: maneira de verificar se as referências à memória são válidas ou não; São utilizados dois registradores que contêm os endereços superior e inferior (limites) da área alocada para um determinado processo; A idéia é que valores maiores do que o conteúdo do registrador superior ou menores que o conteúdo do registrador inferior sejam inválidos. SO - Prof. Edilberto Silva 22

23 Alocação Particionada Estática Proteção (Considerações): Um endereço inválido causa um Trap (interrupção) que transfere o controle para uma rotina de manipulação especial; É melhor armazenar os valores dos limites nos registradores da CPU do que na memória, pois isso reduz o tempo necessário para executar cada instrução. Referências extras à memória fazem o processo ser executado mais lentamente. Caso a proteção não seja implementada de maneira eficaz, pode ocorrer o colapso do sistema (system crash). SO - Prof. Edilberto Silva 23

24 Fragmentação Interna 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 P r o g r a m a C 1 K b D B P r o g r a m a A 6 K b 4 K b 3 K b P r o g r a m a E 5 K b SO - Prof. Edilberto Silva 24

25 Alocação Particionada Estática Partições muito grandes podem criar muito desperdício de memória, provocando a chamada fragmentação interna de memória. Uma alternativa é criar partições que não possuam tamanhos fixos, e sim variáveis; Alternativa: Partições Dinâmicas! SO - Prof. Edilberto Silva 25

26 Alocação Particionada Dinâmica - Organização onde não se definem as partições antecipadamente; O SO as define dinamicamente, com base nas necessidades dos processos correntes. O SO cria uma partição cujo tamanho corresponde exatamente às necessidades de memória do processo; Não há fragmentação interna; Cada programa utiliza o espaço de que necessita, passando esse pedaço a ser sua partição; Aumenta a complexidade da tabela de gerenciamento da memória; A tabela não possui mais um número fixo de entradas, variando de acordo com o número de partições. SO - Prof. Edilberto Silva 26

27 Alocação Particionada Dinâmica Alocação Particionada Dinâmica 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 B 4 K b P r o g r a m a C 1 K b A E C B 1 5 K b P r o g r a m a E 3 K b 2 K b 3 K b 1 K b 4 K b P r o g r a m a A 2 K b 5 K b SO - Prof. Edilberto Silva 27

28 Estratégias de Alocação Estratégias para Escolha da Partição: Essas estratégias tentam evitar, ou diminuir o problema da fragmentação antes que ele ocorra; Os sistemas operacionais adotam basicamente três estratégias para determinar em qual área livre um programa será carregado para execução: Best-fit Worst-fit First-fit A melhor estratégia depende de uma série de fatores, sendo o mais importante o tamanho dos programas processados; SO - Prof. Edilberto Silva 28

29 Estratégias de Alocação Estratégias para Escolha da Partição: Best-fit: esse mecanismo escolhe a melhor partição, ou seja, aquela em que o programa deixa o menor espaço sem utilização; Worst-fit: esse mecanismo escolhe a pior partição, ou seja, aquela em que o programa deixa o maior espaço sem utilização; First-fit: esse mecanismo escolhe a primeira partição livre, de tamanho suficiente para carregar o programa; SO - Prof. Edilberto Silva 29

30 Estratégias de Alocação Best-fit S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b 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 C ( a ) B e s t - f i t P r o g r a m P r o g r a m a C a A F 1 K b 5 K b P r o g r a m a F Á r e a l i v r e 2 K b P r o g r a m a A 3 K b SO - Prof. Edilberto Silva 30

31 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 S i s t e m a O p e r a c i o n a l 4 K b F 1 K b 5 K b P r o g r a m a C ( b ) W o r s t - f i t P r o g r a m a C P r o g r a m a F Á r e a l i v r e 4 K b P r o g r a m a A P r o g r a m a A 3 K b SO - Prof. Edilberto Silva 31

32 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 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 F P r o g r a m a C Á r e a l i v r e 3 K b ( c ) F i r s t - f i t F 1 K b 5 K b P r o g r a m a C P r o g r a m a A 3 K b P r o g r a m a A SO - Prof. Edilberto Silva 32

33 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; O swapping é uma técnica aplicada à gerência de memória, para programas que esperam por memória livre para serem processados; Nessa situação, o sistema escolhe um programa residente, que é levado da memória para o disco (swap out), retornando posteriormente para a memória principal (swap in), como se nada tivesse ocorrido. SO - Prof. Edilberto Silva 33

34 Visão esquemática do swapping SO - Prof. Edilberto Silva 34

35 Swapping Um dos problemas gerados pelo swapping é a relocação dos programas; O loader permite que um programa seja colocado em qualquer posição da memória, porém a relocação é realizada no momento do carregamento; No caso de um programa que saia e volte muitas vezes para a memória é necessário que a relocação seja realizada pelo loader a cada carregamento; A melhor solução para esse problema é uma implementação no hardware dos computadores para permitir que a relocação seja realizada durante a execução do programa; SO - Prof. Edilberto Silva 35

36 Swapping Esse tipo de mecanismo é denominado relocação dinâmica e é realizada através de um registrador especial, denominado registrador de relocação; No momento em que o programa é carregado na memória, o registrador recebe o endereço inicial da região de memória que o programa irá ocupar; Toda vez que ocorrer uma referência a algum endereço, o endereço contido na instrução será somado ao conteúdo do registrador; Dessa forma, um programa pode ser carregado em qualquer região da memória. SO - Prof. Edilberto Silva 36

37 Swapping Relocação Dinâmica 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 i n c i a l d a p a r t i ç ã o C ó d i g o d e o p e r a ç ã o E n d e r e ç o E n d e r e ç o d e m e m ó r i a SO - Prof. Edilberto Silva 37