Sistemas Operacionais

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1 Inrodução Ins iuo de Info ormáic ca - UF FRGS i Memória virual Trabalho sob a Licença Aribuição-SemDerivações-SemDerivados 3.0 Brasil Creaive Commons. Para visualizar uma cópia desa licença, visie hp://creaivecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ Aula 13 Modelos de gerência de memória visos aé agora mapeiam odo o espaço lógico do processo no espaço físico (RAM) Consequências Tamanho do processo é limiado pela capacidade da memória real do sisema Limiação do grau de muliprogramação Desperdício de memória por alocação desnecessária Área de heap previsa, roinas de raameno de exceção (erros), roinas pouco usadas ou usadas apenas em algumas fases, ec Se não há memória disponível, não se pode criar processos Swapping e memória virual surgem como soluções 2 Swapping Memória virual Abordagem para aliviar a limiação do grau de muliprogramação Consise em fazer um rodízio de processos enre memória e disco Área de swap : área de disco onde processos são manidos para liberar espaço em RAM para ouros processos P i swap-ou swap-in P k Escalonador de médio prazo é quem decide sobre os processos víimas para irem ao disco: apo-suspenso bloqueado-suspenso Expande a memória aravés de uma área de espaço em disco Área de swap (arquivo ou parição) Memória oal disponível = capacidade da RAM + amanho da área de swa Objeivo é uilizar memória física de forma eficiene Carrega para a memória apenas os rechos do processo que são necessários para sua execução em deerminado momeno Permie execuar um processo sem que ele eseja compleamene na memória Possibilia a execução de processos maiores que a capacidade de RAM Aumena grau de muliprogramação Princípio básico Localidade de referência Memória oal disponível = capacidade da RAM + amanho da área de swap 3 4

2 Localidade de referência Implemenação de memória virual Base de funcionameno da memória virual Processo possui um subconjuno de páginas que são usados simulaneamene Localidade de referência Temporal: regiões de código e dados endem a ser acessados novamene denro de um período de empo próximo Espacial: regiões de código e dados acessados endem a ser próximas Exemplos: execução da insrução i+1 segue a execução da insrução i; laços for, while, do-while; acessos a elemenos de veores, ec Consequência: NÃO é necessário er o processo ineiro carregado em memória, apenas os rechos necessários em um dado inervalo de empo Possível esimar esses pedaços Emprega mecanismos de alocação de memória não coníguo Necessário supore por hardware para a paginação, segmenação ou segmenação com paginação Necessário: Conrolar o fluxo de páginas (ou segmenos) enre a RAM e a área de swap (memória secundária disco) Gerenciar áreas livres e ocupadas na RAM e no disco Mapeameno da memória lógica em memória física Subsiuição de páginas/segmenos ( rodízio ) Área de swap Dimensionameno Formaação específica ou mesma do sisema de arquivos 5 6 Vanagens e desvanagens de memória virual Paginação por demanda Vanagens: Capacidade de execuar programas maiores que o amanho da RAM Reduz quanidade d de operações de E/S por não carregar odo o processo em memória (carrega apenas páginas ou segmenos necessários) Aumena grau de muliprogramação por reduzir a quanidade de memória necessária para um processo execuar (só carrega o que realmene usa!!) Desvanagens: Desempenho: acesso a área de swap é mais lena que acesso a RAM Aumeno da memória física é sempre a melhor solução!! Implemenação da memória virual baseada em paginação Princípio básico Carregar e maner em memória apenas as páginas necessárias em deerminado momeno localidade de referência Processo fica parcialmene em memória Alocação de memória por demanda Em caso de fala de memória, execua um rodízio enre os rechos em memória e em disco n Processo Apesar de usar a área de swap, osisema esá paginando (page-in epage-ou). Conceiualmene, swap é a movimenação do processo ineiro i RAM... 0 Page-ou Page-in... Área de swap 7 8

3 Quesões para implemenação Localização das páginas Gerenciameno de páginas e quadros Manuenção da informação de quadros livres (bi map) Localização das páginas (memória, área de swap ou ainda não foi criada)? Quando (e de onde) carregar uma página? Desempenho da paginação por demanda Algorimos para alocação de memória Quano de memória é necessário alocar na criação de um processo? Quano de memória é usado durane a execução do processo? Algorimos os de subsiuição u Qual página ou processo deve deixar a RAM para liberar espaço? Uma referência de memória esá sempre associada a uma página Páginas válidas e páginas inválidas Siuações possíveis Página esá carregada na memória (página válida) Página esá na área de swap (página inválida) Página não esá na memória, nem no swap (página inválida não alocada) Comporameno ípico das áreas dinâmicas (pilha e heap) Modificações na abela de página Inclusão de novos bis de gerenciameno Endereço do quadro ou do local de armazenameno no disco 9 10 Enrada da abela de página e memória virual Carregameno de páginas Informações necessárias para localizar a página na memória, se ela esiver carregada na RAM (quadro q) área de swap, se ela não esá carregada na RAM (endereço bloco de disco) Bis de gerência Comparilhameno: se a página é comparilhada com ouros processos Proeção: se a página é de leiura ou leiura e escria Validade: se mapeia (ou não) para um endereço válido para o processo Presença: se a página esá carregada na memória Modificação (diry bi): se a página em memória foi modificada Referência: se a página em memória foi referenciada em passado recene Necessários à implemenação da paginação por demanda (memória virual) Quando carregar uma página? Na inicialização de processos Mínimo eórico: página da função main() e página para pilha Por demanda A medida que o processo execua e precisa páginas que não esão na memória De onde carregar a página? Área de swap (código, dados, heap e pilha) Do próprio execuável (áreas read-only como o código) 11 12

4 Fala de páginas (pageg faul) ) Esquema geral da paginação por demanda Ocorre quando a página necessária a execução não esá na memória Necessário buscar página no disco OU mapear no espaço de endereçameno (se ainda não exise nova alocação) p é a probabilidade de aconecer um page faul (0 p 1) p=0, odas as referências NÃO provocam falas de página p=1, odas as referências resulam falas de página Traador de falas de páginas Acionado por uma inerrupção de hardware de fala de páginas Execua a leiura de página falane (swap ou execuável) ou cria nova página Reinicia a execução do processo Sequência de evenos mov ax,m Sisop i RAM 6 F n Área de swap ou imagem execuável Tabela de página 4 5 F 0 Páginas associadas ao núcleo do sisema operacional são pinadas na memória, isso é, NUNCA vão provocar fala de página Ordem de grandeza da duração de arefas Tempo de acesso efeivo à memória Acionameno do sisema operacional (rap) 1 a 100 us Deerminar se a inerrupção foi por fala de página 1 a 100 us Tempo de acesso (leiura) de uma página para memória Cerca de 8 ms (melhor caso) Depende do disco e da fila de requisição de E/S Tempo de acesso à memória percebido por um processo Tempo consumido pela MMU para a radução Inclui o hi/miss i raio na TLB e evenuais empo de acesso abela de página em memória) Tempo consumido pela gerência de memória virual Considera as operações page-in, page-ou, subsiuição de página e empo de bloqueio) Valor médio Baseado na probabilidade da enrada esar na TLB e a página esar na memória 15 16

5 Tempo efeivo de acesso considerando TLB Desempenho da paginação por demanda (aproximação) Mais precisamene: pr TLB MEM pr pr TLB 2 MEM pr 2 efeivo 1 TLB MEM TFP TLB MEM Depende da axa de fala de páginas (p) Pode ser aproximado por: efeivo 1 pacesso p page _ faul Tempo médio de acesso a abelas e dado Onde: pr 1 : probabilidade da página esar em memória pr 2 : probabilidade da enrada da página esar na TLB (hi raio) mem : empo de acesso a memória TLB : empo de acesso a TLB TPF: empo de raameno de page faul medio h n h 1 onde: acesso é empo médio para acessar página na memória page_faul é o empo médio para o raameno da fala de páginas e acessar a posição de memória que a provocou p é a probabilidade de axa de fala de páginas (0 p 10) 1.0) alb amem alb amem Exemplo: desempenho da paginação por demanda Desempenho da paginação por demanda Exemplo 1: empo acesso: 200 ns empo page faul: 8 ms e =(1-p) * 200 ns + p * ns e = ( x p) ns Se p=1/1000 e 8,2 us (40 vezes acesso ) Exemplo 2: degradação inferior a 10% no empo de acesso (< 220ns) 220 (1-p)*200 + p* = p p (1 page faul a cerca de cada acessos) Depende de dois faores De apresenar baixa axa de falas de páginas Número de vezes que há cargas de páginas Maner em memória um conjuno adequado de páginas Diminuir o empo de acesso ao disco Tempo gaso para carregar as páginas ( 1 p ) ( p ) efeivo acesso page _ faul 19 20

6 Oimizações para o swap Copy-on-wrie Procedimenos de swap-in e swap-ou Páginas não modificadas podem ser sobrescrias (economiza swap-ou) Selecionar páginas menos úil para swap-ou Algorimos de subsiuição Parição de swap com formaação específica Parição = divisão de um disco físico em discos lógicos diferenes Organiza os dados no disco de forma diferene do sisema de arquivos convencional possibiliando um acesso mais rápido Na criação (fork) não é necessário criar a cópia do pai, basa criar uma abela de páginas para o filho idênica a do pai Ação copy-on-wrie Se um dos processos, pai ou filho, modificar a página, cria-se a cópia Páginas não modificadas podem ser comparilhadas Deve-se marcar essas páginas para não liberar elas em caso de érmino de um dos processos (pai ou filho) 21 Silberschaz, A.; Galvin, P; Gagne, G. Operaing Sysem Conceps, 9h ed Leiuras complemenares A. Tanenbaum. Modernos (3 a edição), Pearson Brasil, Capíulo 3: (seções , 37) 3.7) A. Silberchaz, P. Galvin;. (7 a edição). Campus, Capíulo 9 (seções 9.1 e 9.2) R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani;. Ediora Bookman 4 a edição, 2010 Capíulo 7 (seção 7.1) 23

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