SISTEMAS OPERACIONAIS GERÊNCIA DE MEMÓRIA

Transcrição

1 SISTEMAS OPERACIONAIS GERÊNCIA DE MEMÓRIA /12

2 Conteúdo GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA...3 ALOCAÇÃO DE MEMÓRIA CONTÍGUA...4 PAGINAÇÃO...5 SEGMENTAÇÃO...7 MEMÓRIA VIRTUAL...9 2/12

3 GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA Memória! Memória! Memória! Adianta ter muita memória? Existe algum limite? Como são usadas pelo SO? Recordemos um pouco sobre a arquitetura dos computadores. A memória volátil (conteúdo que se perde quando desligada) é uma forma de armazenamento temporário. Para ler ou escrever um dado em memória, a CPU endereça aquela região e requisita a operação de leitura ou escrita. Encontram-se memórias voláteis internas e externas à CPU. Internamente, há um tipo de memória denominado registrador, cujo endereço é reconhecido pelo nome do registrador e não pelo seu endereço numérico como acontecem com as memórias voláteis externas. A quantidade e o tamanho em bits dos registradores variam com o modelo e o tipo da CPU. É a memória mais rápida encontrada num computador. Seu tempo de acesso é de apenas algumas unidades de ciclos de clock da CPU. A quantidade é fixa e não pode ser expandida. Uma CPU de 8 bits não tem, necessariamente, somente registradores de 8 bits (Ex: CPUs Intel 4040, Zilog Z80, Intel 8080, Intel 8088, Intel 8086, NEC-V20, NEC-V30, etc). Embora o barramento externo de uma CPU seja de 8 bits, pode-se ter registradores internos de 16, 32 ou até mais de 64 bits. Por serem internas, a única forma de acessá-las é através de instruções da CPU. O tamanho do dado em bits depende do barramento de dados tanto da CPU quanto da memória. Tem-se, portanto, dois tipos de barramentos: barramento de endereços e o barramento de dados. Tais barramentos são, teoricamente, independentes entre si. Atualmente as CPU, dependendo da arquitetura do computador, são dotadas de memórias não voláteis, quase tão rápidas quanto os registradores. São endereçadas numericamente pelos barramentos internos da CPU, assim o controle de acesso está embutido na própria CPU. Apresentam-se com capacidade de endereçamento maior porém ainda bastante limitadas. São denominadas de Memória Cache de Primeiro Nível. Sem este tipo de cache a CPU teria que esperar muitos ciclos de clock para que uma instrução seja transferida do banco de memória externa ou principal. A técnica de caching traz o benefício de maior desempenho. Curiosidade: Antes do lançamento das CPUs Intel 80486, aquele fabricante colocou no mercado uma CPU com cache interno de 1K. A primeira série de CPU saiu com cache de 512 bytes. Alguns estudiosos no assunto modificaram os barramentos de clock, acelerando-os até que os clocks entre a série 386 se igualasse a serie 486. Pelo simples fato de ter maior cache, a mesma placa mãe apresentava desempenho 80% maior com um 386. Só por causa do caching maior? Sim! Somente por isto! Com o avanço da tecnologia, os fabricantes de placas mãe inseriram processadores auxiliares mais poderosos, que implementavam um segundo nível de caching, ou cache de segundo nível. Agora, a memória cache era externa e o endereçamento controlado pelo processador auxiliar gerando espelhos ainda maiores da memória principal, numa velocidade próxima dos caches de primeiro nível. O resultado foi a melhora do desempenho computacional, alcançando 99% maior que a mesma CPU sem o recurso, ou quase duplicando-o em relação a um sistema sem cache. Reparem que o espaço de armazenamento se torna cada vez maior a medida que a memória se 3/12

4 aproxima da memória principal. A figura 1 mostra as etapas de transferencia de um dado A da memória principal até a CPU, considerando os recursos apresentados. Até então cita-se endereçamentos em espaços pequenos. Aparentemente, o esquema só fuincionaria se a aplicação tivesse um tamanho menor que a do cache de nível 1. Uma aplicação pode ser muito maior que isto! Como ela cabe? A Fig. 1 - Mapeamento de memórias para a transferência de um dado A desde a memória principal até o registrador. técnica desenvolvida emprega a idéia de mapeamento de memória. O código não é transferido totalmente para a CPU. A grande maioria das aplicações nem cabem completamente no cache de nível 2 nem mesmo na quantidade de memória principal. Assim, o código e dados são transferidos em partes a medida que são executados ou tratados. ALOCAÇÃO DE MEMÓRIA CONTÍGUA Considere o caso de uma aplicação de 16 Mbytes, Kernel e drivers consumindo 24 Mbytes. Memória principal com 64Mbytes, cache nivel 2 de 2 Mbytes e Cache de Nivel 1 de 512K. A soma dos tamanhos da aplicação, kernel e drivers é inferior ao tamanho físico da memória principal. OBS: Não vamos considerar, ainda, onde a aplicação residia anteriormente. Neste caso, o Módulo de Gerenciamento de Memória poderia reservar um espaço contíguo de endereçamento na memória principal, armazenando alí a aplicação completamente. Porém, o kernel e drivers estão sempre presentes em memória. Surge a necessidade de algum critério para controlar o que é kernel, o que é driver e o que é aplicação. Uma solução é, por exemplo, alocar um tamanho contíguo com tamanho suficiente para alojar todos o códigos e dados. Contudo, o kernel permenece em memória e estará presente enquanto o computador estiver operacional. Torna-se conveniente a separação do que é sistema operacional e o que é aplicação temporária, pois a aplicação tem vida curta se comparada ao kernel. Por tais razões, a alocação única e contígua não pode ser aplicada. Fig. 2 - Particionamento da memória física. Uma vez que a solução acima foi barrada pela tempo de vida ativo do Kernel, uma segunda solução é dividir a quantidade de memória em duas (2) partes contíguas (Figura 2). Uma delas é reservada ao Kernel+drivers e a segunda para as aplicações do usuário. O critério foi aceito e aplicado por encontrar facilidades na implementação em hardware, bastando habilitar ou 4/12

5 desabilitar o bit mais significativo. As aplicações não usavam, de forma geral, todas os periféricos disponíveis, nem mesmo todas as funções do kernel. Assim, a simples divisão em duas partes apresentavam regiões vazias que poderiam ser aproveitadas para a execução de aplicações maiores ou por regiões de memória cujo tamanho fosse definido durante a execução da aplicação. Esta ocorrência denomina-se de Alocação Dinâmica de Memória. A reserva ou alocação de qualquer tamanho resultaria em pequenas partes vazias que poderiam não ser preenchidas, o que resultaria em espaços não alocáveis. Para contornar este novo problema, adotou-se o critério de reserva com tamanho mínimo fíxo e múltiplos daquele valor. Ou seja, se o tamanho mínimo fixo fosse de 16 Kbytes e ocorresse uma reserva de 50 bytes então seriam reservados os 16Kbytes. Ao empregarem tal técnica os desenvolvedores esperavam resolver um problema a acabaram de criar outro ainda maior, pois os espaços remanecentes resultavam na fragmentação quando na comutação de execução entre códigos. Logo a solução de reserva ou alocação em blocos contíguos continuava ineficiente. Opções como compactação e reordenação também foram testadas, porém sem sucesso, pois as movimentações de conteúdos representavam um maior consumo de processamento daquele códigos do Kernel e, consequentemente, a redução de desempenho da apllicação. PAGINAÇÃO A paginação é uma técnica de gerenciamento de memória em que o espaço de endereçamento físico não é contíguo e existe a alocação de tamanhos fixos. Na paginação os espaços de memória reservados correspondem a espaços em posições aleatórias na memória física. A implementação deste método exigiu o conceito de Memória Lógica. A memória lógica representa um espaço lógico sempre contígüo e associado às posições aleatórias da memória física através de uma tabela de mapeamento. Os tamanhos da memória lógica e do espaço ocupado na memória física são idênticos. Se o tamanho de uma página lógica é pequeno (digamos 4 bytes) então a tabela de mapeamento representará de ¼ do tamanho da memória física, o que torna esta quantidade desavantajosa. Assim, os pesquisadores optam por implementar páginas com tamanho variável definido em tempo de execução do código. Implementar o controle de paginação pela pópria CPU através de software puro também não traz qualquer vantagem. As técnicas de implementação usam formas de endereçamento com auxílio de hardware. Elas tentam, na medida do possível, agilizar o acesso à memória física. Considere a memória lógica de 4 bytes, contendo os valores apresentados na Figura 4 e seguindo a mesma Fig. 3 - Modelo de paginação com tabela detabela da Figura 3. mapeamento entre memórias lógica e física. 5/12

6 Fig. 4 - Modelo de paginção com tabela de mapeamento entre memórias lógica de 4 bytes e física A letra g na memória lógica tem o endereço (Página 1, deslocamento 6). A mesma letra g na memória física tem o endereço (Página 5, deslocamento 22). número da página Lógica P número de deslocamento Lógico, na página d End.Físico = (p' *4 + d) Será que dará certo? Vejamos... Se p = número da página lógica e d o número do deslocamento em relação ao deslocamento inicial da página..(d = 6 4 = 2) e na tabela de mapeamento, p' = 5, logo: End. Físico = (5*4 + 2) = 22 6/12

7 Tente a n. (R: d = = 1, p=3, tabela=> 3->7 ==>> End. Fisico=7*4+1=29. Este tipo de operação pode ser facilmente realizado por processadores auxiliares... Achamos uma das finalidades do Chip-Set. Técnicas tais como Page-Table Base Register PTBR (registrador base da tabela de páginas), Translation Look-aside Buffer TLB (Buffer Paralelo de Tradução) isolados ou combinados com Address-Space Identifiers ASIDs (Identificadores de Espaços de Endereçamento) consideram o uso de memória mais rápidas para o armazenamento e manipulação das tabelas. Além dessas técnicas os pesquisadores buscaram uma estrutura da tabela que facilitasse a identificação do acesso à memória física e desenvolveram outras estruturas, tais como Paginação Hierárquica (considerada adequada para processadores de 32 bits, mas inadequada para 64 bits), Paginação Reeditada Hash (adequada para 32 e 64 bits, com ressalvas) e Páginação Invertida (32 e 64 bits). PAGINAÇÃO COMPARTILHADA A página compartilhada será feita como um todo perante a identificação do seu proprietário. PROTEÇÃO Uma certa página pode pertencer ao kernel ou à aplicação (ou aplicações) do usuário. De forma intencional ou equivocada, uma aplicação poderia escrever em regiões do Kernel, o que é prejudicial. Tal fato leva a estabelecer algum método de proteção da página. Assim, a tabela de mapeamento é adaptada para indentificar a tarefa correspondente através de um código de identificação, um número atribuído à tarefa. Este número é denominado PID (Process Identification), conforme será visto no Módulo de Gerenciamento de Tarefas. É desta forma que o Módulo de Gerenciamento de Memória saberá qual tarefa é proprietária daquela página. SEGMENTAÇÃO No método de paginação, há a desvantagem de dados, pilha, código e símbolos ficarem agrupados ao longo das páginas. O método de segmentação veio para separar tais espaços conforme a finalidade. O segmento de dados tem um tamanho qualquer, assim como os outros. Uma vez separados e identificados, pode-se estabelecer o compartilhamento somente de códigos, por exemplo, entre 1 ou mais tarefas em execução. Na paginação, a página inteira poderia ser compartilhada, mas não uma fração dela. A Figura 5 mostra um exemplo de segmentação e o respectivo mapeamento para a memória física. Observe que os segmentos são identificados pela sua finalidade operacional: dados, código, pilha, etc. 7/12

8 Fig. 5 - Exemplo de Segmentação. Observar que os segmentos ocupam espaços e posições na memória real conforme especificado na Tabela de Mapeamento. A coluna Limite define o tamanho do segmento tanto na Memória Lógica quanto na Real. A coluna Base especifica o endereço de início do segmento. Ao contrário da paginação onde se têm o compartilhamento como um todo, na segmentação pode-se compartilhar apenas as áreas de memória de interesse. Suponha que a área de código, dados globais e símbolos sejam compartilhadas por um conjunto de aplicações. Isso trará a economia de memória e maior desempenho, pois não será desperdiçado o tempo para a recarga de tais áreas. Assim, na segmentação, o kernel criará, além da tabela de mapeamento, uma tabela de compartilhamento, especificando os PIDs das aplicações que terão livre acesso ou acesso controlado (somente leitura) de uma área específica. Considere o compartilhamento de área de dados quando um mesmo editor de texto é executado duas vezes e cada um abre um arquivo diferente. 8/12

9 Fig. 6 - Compartilhamento de segmentos num sistema de memória segmentada. Seria altamente promissor e vantajoso se o kernel utilizasse recursos de hardware para a verificação dos índices de vetores (arrays). Explorando tal recurso seria possível evitar erros comuns (e perigosos!) de programas por extrapolação de limites reais e lógicos (buffer overflow). Isto é possível em algum hardware, mas se a extrapolação acontecer em memória lógica não há como evitar. Suponha que o término da tarefa T1. Neste caso, apenas a área de memória física de a seria liberado, o que abrirá um espaço de bytes. Caso seja necessário executar outra aplicação que apresente segmentos maiores que tal tamanho, será necessário aguardar a liberação de mais espaço, ou seja, ocorreu a Fragmentação da memória física. O Gerenciador de Memória terá então que utilizar alguma estratégia para resolver o caso, pois a liberação esperada pode não ocorrer. Uma possível solução seria a desfragmentação da memória física, através do método de compactação ou de reposicionamento dos segmentos. MEMÓRIA VIRTUAL Considere um computador com 8 MB de memória, atendendo 64 usuários, os quais executam várias aplicações concorrentemente, sendo que o tamanho de cada uma delas ultrapassa os 9/12

10 limites da memória física. Isto é possível? Como acontece? Fig. 7 - Quando o Espaços de Memória exigida pela aplicação é maior que o Espaço de Meória Física. Abordar-se-á, apenas, os conceitos que embasam a ideia enquanto que os mecanismos serão vistos após o Gerenciamento de Arquivos. A quantidade máxima da memória física é limitada pela arquitetura da CPU (capacidade de endereçamento) e pelo custo (quantidade de memória instalada). As CPUs de 32 bits de um certo fabricante tem 32 bits de endereçamento real. Isto significa 2 32 endereços de memória ou 4 Giga Endereços. As CPUs daquele mesmo fabricante de 64 bits acessam barramento de dados de 64 bits e 56 bits endereços 2 56 ou TeraBytes. Hoje, o custo de uma pastilha de memória é bastante reduzido quando comparado aos valores praticados há 30 anos. Vamos admitir o caso inicial. Conforme visto anteriormente, é comum dividir a quantidade de memória em 2 partes: uma para o sistema operacional e outra para as aplicações e usuários. Teremos então, dos 8MB disponíveis, somente 4Mb disponíveis para 64 usuários, o que resulta em 64KB para cada usuário. Se o usuário deseja executar uma aplicação de 80KB (o que é muito pequena se comparada às encontradas atualmente) então o problema continua... A solução foi buscar um tipo de memória mais barata que pudesse atender à demanda, em quantidade suficiente e que está presente no sistema computacional. Onde isso estaria disponível? Disco! Sim! O disco! Embora ele não seja tão veloz quanto a memória física é uma solução. A ideia é usar uma área (espaço) em disco para armazenar os segmentos e páginas que ocupavam a memória principal que não está sendo utilizada naquele momento. Tal espaço reservado é denominado de Memória Virtual ou vulgarmente denominada de Swap Memory. O mecanismo de funcionamento é simples. Considere a aplicação de 80KB. Não é possível levá-la totalmente para a memória física. Assim, a parte inicial da aplicação (dados+código) é transportada para o espaço admitido por aquele memória. O Gerenciador de Memória se encarrega de montar uma tabela de endereçamento contendo o endereços iniciais e finais da aplicação, onde elas estão armazenadas, usando algum dos critérios de gerenciamento já vistos (paginação ou segmentação, ou misto). Ao ser solicitado um endereço que estava armazenado na 10/12

11 região virtual (em disco), parte da aplicação é comutada entre a memória física e a virtual (swap). Tal procedimento traz algumas consequências. Imaginemos que, ao iniciar a aplicação, seja necessário a presença de uma espaço que estava em memória virtual. É realizado o swap ou troca de conteúdo. Logo em seguida, o novo código em execução solicita um espaço de dados que acabara de ser levado para a memória virtual. Um novo swap é realizado porém o código anterior foi permutado. Isto é um exemplo de erro de alocação. Podemos apontar dois responsáveis: o link editor, usado pelo compilador que gerou aquele código; o código da aplicação que está mal estruturado. Isto explica o motivo pelo qual certas aplicações apresentam lentidão em sua execução quando o espaço de memória se torna escasso. Fig. 8 - Reservas (Alocação) de Memória. Uma outra consequência desastrosa para o sistema operacional é a fragmentação dos espaços vazios na memória real promovida pela troca de posições ativas entre as áreas da aplicação em relação a de swap. Pode parecer estranho, mas a aplicação é copiada em alguns sistemas operacionais, conforme a sua filosofia de projeto. Por exemplo: SOs Windows consideram uma aplicação um objeto a ser executado. Neste caso, parte do objeto é levado para a memória física enquanto outra parte é copiada para área de swap (em disco). Outros sistemas operacionais, o OpenVMS e o VMS por exemplo, tratam um disco como uma extensão da memória física, o que dispensa as cópias pois uma área de disco é como se fosse uma área de memória. É interessante como a filosofia de projeto de um SO interfere nas soluções dos problemas inerentes daquele SO. Interessante! Isto quer dizer que um sistema operacional implementa uma "filosofia" de tratamento dos componentes de um computador, por exemplo: Windows tudo é objeto, OpenVMS tudo é Memória, Linux (ou unix clones) tudo é arquivo. Como isto é feito no VMS? Conforme visto, uma área de disco pode ser definida pela tripla: número do cilindro, número da cabeça, setor e deslocamento (offset) em relação ao setor. Com isto é possível estabelecer um acesso direto a qualquer byte do disco. A grande desvantagem 11/12

12 do processo é que o tamanho do disco é limitado à quantidade de endereçamento, exceto por manipulações de bits de expansões do barramento de endereços. Perante o cenário funcional, pode-se dizer que a Memória Virtual corresponde à separação entre a memória lógica usada pelo usuário e a memória física do sistema. Qual solução é adotada quando não existe memória virtual? Para contornar tal problema os programadores usam o recurso de sobreposição ( overlay), onde o código e dados presentes em memória são substituídos (sobrescritos) pelo novo conjunto de código e dados. Com a memória virtual tal preocupação deixa de existir. 12/12