Sistemas Operacionais Gerência de Memória
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- Ricardo Alcaide Gentil
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1 Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul UEMS Curso de Computação, Licenciatura Sistemas Operacionais Gerência de Memória Prof. José Gonçalves Dias Neto
2 Introdução A memória principal sempre foi vista como um recurso escasso e caro. Nos ambientes monoprogramados a gerência de memória não é muito complexa, já nos multiprogramados torna-se crítica; Precisamos sempre desenvolver SO que não ocupem muito espaço de memória e que otimizem a utilização de recursos.
3 Funções básicas da gerência de memória Programas ficam dispostos em memória secundária, mas o processador só executa instruções vindas da memória principal. Tempo de acesso da memória secundária é muito maior do que o acesso a memória principal. SO deve reduzir o número de instruções de E/S para não causar perda de desempenho; A gerência de memória deve tentar manter na memória principal o maior número de processos residentes; Mesmo na ausência de espaço livre, o SO deve permitir a criação e execução de novos processos;
4 Funções básicas da gerência de memória O SO consegue transferir temporariamente processos da memória principal para a memória secundária, caso a primeira esteja cheia (swapping); Deve-se permitir a execução de programas maiores do que a memória física disponível; O SO deve proteger as áreas de memória ocupadas por cada processos, inclusive as áreas que o próprio SO reside; Apesar da proteção, o SO deve permitir áreas de compartilhamento entre processos.
5 Alocação Contígua Implementada nos primeiros SO monoprogramados; A memória principal é dividida em duas áreas, uma para o SO e a outra para o programa de usuário; Aqui o programador deve preocupar-se apenas em não ultrapassar o espaço de memória disponível; Nesse esquema o usuário tem acesso a toda a memória disponível, incluindo a ocupada pelo SO; Como tentativa de proteção, alguns SO marcam o espaço ocupado por este através de um registrador;
6 Alocação Contígua
7 Overlay É a divisão do programa em módulos, que permite a execução independente de cada módulo, utilizando a mesma área de memória; Considere: Um programa maior que a memória disponível, com 3 módulos (Principal, Cadastro e impressão); Cadastro e Impressão são independentes um do outro; O programador cria uma área de memória que será utilizada alternadamente entre os módulos independentes; Esta área deve ser do tamanho capaz de armazenar o maior módulo;
8 Overlay
9 Alocação Particionada Nos sistemas monoprogramados o processador permanece muito tempo ocioso e a memória principal subutilizada; Os sistemas multiprogramados permitem que diversos programas estejam residentes em memória principal ao mesmo tempo; Existem duas técnicas de alocação particionada, a estática e a dinâmica;
10 Alocação Particionada Estática Nos primeiros sistemas multiprogramados, a memória era divida em partições de tamanho fixo; O tamanho das partições era definido durante o boot do sistema; Sempre que necessitasse alterar o tamanho das partições, o SO deveria ser desativado e reiniciado; Inicialmente os programas só podiam ser carregados e executados em uma partição específica devido conter o código absoluto (endereços físicos de memória). Neste caso não sendo possível a utilização de outra área de memória pelo programa, mesmo que esta estivesse vazia;
11 Alocação Particionada Estática
12 Alocação Particionada Estática Absoluta
13 Alocação Particionada Estática Com a evolução dos compiladores, o código deixou de ser absoluto passando a ser relocável; Todas as referências a endereços são para com o inicio do código e não a endereços físicos de memória; No momento do carregamento, o SO calcula os espaços de memória segundo o inicio do código, permitindo que programas reaproveitem áreas de memória vazias deixadas por programas já desalocados.
14 Alocação Particionada Estática Relocável
15 Alocação Particionada Estática A gerência de memória mantém uma tabela com dados referentes a cada partição (endereço inicial, tamanho e status); Antes de carregar um programa para a memória, o SO percorre a tabela buscando áreas livres;
16 Alocação Particionada Estática
17 Alocação Particionada Estática A proteção das partições baseiase em dois registradores que armazena o endereço inicial e o endereço final da partição.
18 Alocação Particionada Estática Independente da alocação particionada estática ser absoluta ou estática, ainda assim os programas deixam áreas de memória livres que não podem ser utilizadas; Isso ocorre que raramente um programa ocupara toda a área de memória disponível na partição; Este problema é denominado Fragmentação Interna
19 Alocação Particionada Estática
20 Alocação Particionada Dinâmica Veio para sanar o problema da fragmentação interna e aumentar o grau de compartilhamento de memória principal; Eliminou o conceito de partições de tamanho fixo; Cada programa utiliza o espeço de memória necessário, fazendo deste a sua partição; Com isso o problema da fragmentação interna é resolvido.
21 Alocação Particionada Dinâmica
22 Alocação Particionada Dinâmica O problema é que na medida que programas sejam desalocados e outros sejam alocados em seus lugares, provavelmente ocorrerá a sobra de espaços cada vez menores de memória livre; Isso não permitirá o ingresso de novos programas. A este novo problema é dado o nome de fragmentação externa.
23 Fragmentação Externa
24 Alocação Particionada Dinâmica Solução 1: Reunir os espaços de memória livres adjacentes
25 Alocação Particionada Dinâmica Solução 2: Realocar todas as partições ocupadas, eliminando os espaços entre elas. (alto custo computacional)
26 Estratégias de Alocação de Partição Existem 3 (três) abordagens utilizadas pelos SO modernos para decidir em qual espaço de memória alocar o programas: Best-fit Worst-fit First-fit Independente da abordagem adotada, o sistema mantém uma lista das áreas livres, com endereço e tamanho de cada uma
27 Estratégias de Alocação de Partição
28 Estratégias de Alocação de Partição Best-fit: (Melhor partição) O critério é escolher a partição em que o programa deixe o menor espaço sem utilização; Ordena a lista de partições por tamanho; Tende a aumenta a fragmentação; Worst-fit: (Pior partição) Escolhe a maior partição possível; Tende a diminuir a incidência de fragmentação; First-fit: (primeira partição) Escolhe a primeira partição da lista com tamanho suficiente para armazenar o programa; Ordena crescentemente a lista de partições segundo seu endereço; Considerada a estratégia mais rápida e com menor consumo de recursos;
29 Swapping Muitas vezes um programa não pode ser executado por falta de partição de memória disponível; O sistema escolhe um processo residente em memória principal e o transfere para a memória secundária (geralmente HD); (swap out) Posteriormente o processo transferido retorna a memória principal; (swap in) O problema é: Qual processo escolher?
30 Swapping
31 Swapping O algoritmo de swapping deve tentar transferir sempre o processo com menor probabilidade de executar; Geralmente são transferidos os processos em estado de bloqueado (espera), mas também pode ocorrer com processo no estado de pronto; Vantagem: Aumento do compartilhamento da memória principal; Desvantagem: Alto custo das operações de E/S;
32 Exercícios 1- Considere um sistema computacional com 40Kb de memória principal e que utilize um sistema operacional de 10Kb que implemente alocação contígua de memória. Qual a taxa de subutilização de memória principal para um programa que ocupe 20Kb de memória? (responda em percentual)
33 Exercícios 2- Suponha um sistema computacional com 64Kb de memória principal e que utilize um sistema operacional de 14Kb que implemente alocação contígua de memória. Considere também um programa de 90Kb, formado por um módulo principal de 20Kb e três módulos independentes de 10Kb, 20Kb e 30 Kb. como o programa poderia ser executado em memória utilizando apenas a técnica de overlay?
34 Exercícios 3- Suponha um sistema computacional com 128KB de memória principal e que utilize um sistema operacional de 64Kb que implementa alocação particionada estática relocável. Considere também que o sistema foi inicializado com três partições: P1 (8KB), P2 (24KB) e P3 (32 KB). Calcule a fragmentação interna da memória principal após a carga de três programas PA, PB, PC: a) P1 PA(6KB), P2 PB(20KB), P3 PC(28KB) b) P1 PA(4KB), P2 PB(16KB), P3 PC(26KB) c) P1 PA(8KB), P2 PB(24KB), P3 PC(32KB)
35 Exercícios 4 Um sistema utiliza alocação particionada dinâmica como mecanismo de gerência de memória. O sistema operacional aloca uma área de memória total de 50Kb e possui, inicialmente, os programas dispostos a seguir PROGRAMA A PROGRAMA B LIVRE PROGRAMA C 5kB 3kB 10kB 6kB LIVRE 26kB Realize as operações a seguir sequencialmente mostrando o estado da memória após cada uma delas. Resolva a questão utilizando as estratégias best-fit, worst-fit, first-fit a) Alocar uma área para o programa D que possui 6Kb b) Liberar a área do programa A; c) Alocar uma área para o programa E que possui 4Kb;
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