Gerenciamento de Memória

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1 Gerenciamento de Memória Prof. Clodoaldo A. Moraes Lima 1 int a; p1 ( ) { int b; int *c; a = b +1; c = malloc (sizeof(int));... } int main ( ) {... } Pilha O que é memória? Pilha Dados Texto Endereço Max Alocação dinâmica Alocação Estática Código Endereço 0 2

2 Tipos de Memória Memória pode ter uma de três classificações Leitura e escrita: variáveis; Leitura apenas: constante Ex: hello world; Execução: código; Proteção é necessária A cada acesso o endereço deve ser checado para impedir acessos indevidos; Checagem é feita por hardware senão fica muito lento; 3 Aonde mesmo? Pilha??? Alocação dinâmica Alocação Estática Código? Sistemas Operacionais 4

3 Gerenciamento de Memória Idealmente, o que todo programador deseja é dispor de uma memória que seja grande rápida não volátil Hierarquia de memórias Cache pequena quantidade de memória rápida, de alto custo Memória Principal quantidade considerável, velocidade média, custo médio Memória Secundária gigabytes de armazenamento em disco de velocidade e custo baixos 5 Gerenciamento de Memória Recurso importante; Evolução: Computadores modernos x antigos; Tendência atual do software: Lei de Parkinson: Os programas se expandem para preencher a memória disponível para eles (adaptação); Gerenciador de memória: responsável por alocar e liberar espaços na memória para os processos em execução; responsável por gerenciar chaveamento entre a memória principal e o disco; 6

4 Gerenciamento de Memória Programas são armazenados em disco Executar um programa se traduz em transferi-lo da memória secundária à memória primária; Qualquer sistema operacional tem gerência de memória Monotarefa: gerência é simples Multitarefa: complexa 7 Gerenciamento de Memória Realocação e Proteção: Realocação: Quando um programa é linkado (programa principal + rotinas do usuário + rotinas da biblioteca executável) o linker deve saber em que endereço o programa irá iniciar na memória; Ex.: se uma chamada absoluta é executada (#100, p. ex.) pode-se entrar na área do SO; O que se precisa é uma realocação #100 + que depende da partição!!! 8

5 Gerenciamento de Memória Proteção: com várias partições e programas ocupando diferentes espaços da memória é possível acontecer um acesso indevido; Solução para ambos os problemas: 2 registradores base e limite Quando um processo é escalonado o registrador base é carregado com o endereço de início da partição e o registrador limite com o tamanho da partição; Cada endereço de memória gerado automaticamente tem o conteúdo do registrador base adicionado; Endereços são comparados com o registrador limite para prevenir acessos indevidos; 9 Gerenciamento de Memória Tipos básicos de gerenciamento: Com paginação (chaveamento): Processos são movidos entre a memória principal e o disco; artifício usado para resolver o problema da falta de memória; Se existe MP suficiente não há necessidade de se ter paginação; Sem paginação não há chaveamento 10

6 Gerenciamento Básico de Memória Monoprogramação sem Troca de Processos ou Paginação RAM RAM RAM Três maneiras simples de organizar a memória - um sistema operacional e um processo de usuário 11 Gerenciamento Básico de Memória Monoprogramação sem Troca de Processos ou Paginação Primeiro modelo (a) Foi inicialmente empregado em computadores de grande porte e minicomputadores Mas praticamente não é mais usado Segundo modelo (b) Utilizado em computadores de mão (palmtop) e em sistemas embarcados Terceiro modelo (c) Primeiros computadores (com sistema MS_DOS) Parte do sistema contida na ROM é denominada de BIOS (Sistema Básico de E/S) 12

7 Gerenciamento Básico de Memória Monoprogramação sem Troca de Processos ou Paginação Implementada nos primeiros sistemas operacionais. Só funciona em sistemas monotarefas Há uma área para o S.O e outra para o programa do usuário 13 Gerenciamento Básico de Memória Monoprogramação sem Troca de Processos ou Paginação Proteção há um registrador para não deixar o programa acessar uma área do S.O Memória Principal Sistema Operacional Regi str ador Área para programa Problema: Subutilização da memória Memória Principal Sistema Operacional Programa do usuário Área livre 14

8 Técnica de Overlay Técnica de Overlay separação do programa em módulos Os módulos são independentes entre si. Ou seja, enquanto um estiver na memória outro não precisa estar. A área de overlay é então o espaço que sobra da memória, descontando a parte do programa principal, que deve estar sempre na memória. A definição da área de overlay é atribuição do programador. 15 Técnica de Overlay Memória Principal 2 Kb Sistema Operacional Cadastramento 3 Kb Módulo principal 4 Kb 4 Kb Área de overlay Impressão 1 Kb Área livre Área não utilizada 2 Kb 2 Kb 16

9 Gerenciamento Básico de Memória Multiprogramação Modelo de Multiprogramação: Múltiplos processos sendo executados; Eficiência da CPU; Processo: p (fração do tempo total gasto com E/S) N processos na memória: p n (probabilidade de todos estarem em E/S) Utilização da UCP: 1- p n 17 Exemplo Exemplo: 1-p n RAM com 1Mbytes: SO ocupa 200 Kbytes; Cada programa ocupa 200 Kbytes Se n = 4 (programas na memória) E/S = 80% U 60% RAM com 2 Mbytes e n=9 U 87% RAM com 3 Mbytes e n=14 U 96% 18

10 Multiprogramação 19 Gerenciamento de Memória Partições Particionamento da memória pode ser realizado de duas maneiras Partições fixas; Partições variáveis; Partições fixas Tamanho e número de partições são fixos (estáticos); Não é atrativo, não é atrativo porque partições fixas tendem a desperdiçar memória; Mais simples; 20

11 Gerenciamento de Memória Partições Fixas Partições fixas Qualquer espaço não utilizado é literalmente perdido; Filas múltiplas: Problema: filas não balanceadas; Fila única: Melhor utilização da memória, pois procura o melhor processo para a partição considerada; Problema: processos menores são prejudicados 21 Gerenciamento de Memória Partições Fixas Partições fixas de memória a) filas de entrada separadas para cada partição b) fila única de entrada 22

12 Gerenciamento de Mémoria Partições Fixas Partições fixas: problemas com fragmentação Interna: desperdício dentro da área alocada para um processo; Ex: processo de tamanho 40 K ocupando uma partição de 50K; Externa: desperdício fora da área alocada para um processo; Duas partições livres: PL1 com 25K e PL2 com 100K, e um processo de tamanho 110K para ser executado; Livre: 125K, mas o processo não pode ser executado; 23 Gerenciamento de Memória Partições Variáveis Partições Variáveis Tamanho e número de partições variam; Otimiza a utilização da memória, mas complica a alocação e liberação da memória; Partições são alocadas dinamicamente; SO mantém na memória uma lista com os espaços livres; Menor fragmentação interna e grande fragmentação externa; Solução: compactação; 24

13 Gerenciamento de Memória Partições Variáveis Partições Variáveis: Tempo C C C C C A SO (a) B A SO (b) B A SO (c) B SO (d) B D SO (e) D SO (f) A D SO (g) Memória livre 25 Gerenciamento de Memória Partições Variáveis Minimizar espaço de memória inutilizados: Compactação: necessária para recuperar os espaços perdidos por fragmentação; no entanto, muito custosa para a CPU; Técnicas para alocação dinâmica de memória: Bitmaps; Listas Encadeadas; 26

14 Técnicas para alocação dinâmica de Memória Técnica com Bitmaps: Memória é dividida em unidades de alocação em kbytes; Cada unidade corresponde a um bit no bitmap: 0 livre 1 ocupado Tamanho do bitmap depende do tamanho da unidade e do tamanho da memória Ex.: unidades de alocação pequenas bitmap grande; unidade de alocação grande perda de espaço 27 Técnicas para alocação dinâmica de Memória Técnica com Bitmaps: Memória 8 16 A B C... Bitmap Memória livre 28

15 Técnicas para alocação dinâmica de Memória Técnica com Listas Encadeadas: começa com zero Uma lista para os espaços vazios e outra para os espaços cheios, ou uma lista para ambos! espaço segmento tamanho 5 P 0 5 H 5 3 P H 29 3 x Processo Hole (espaço vazio) tamanho 3 começa com 5 29 Algoritmos de Alocação Algoritmos de Alocação quando um novo processo é criado: FIRST FIT 1º segmento é usado; rápido, mas pode desperdiçar memória por fragmentação; NEXT FIT 1º segmento é usado mas na próxima alocação inicia busca do ponto que parou anteriormente; possui desempenho inferior; 30

16 Algoritmos de Alocação BEST FIT procura na lista toda e aloca o espaço que mais convém, menor fragmentação; mais lento; WORST FIT aloca o maior espaço disponível; QUICK FIT mantém listas separadas para os espaços mais requisitados; 31 Algoritmos de Alocação Cada algoritmo pode manter listas separadas para processos e para espaços livres: Vantagem Aumenta desempenho; Desvantagem: Aumenta complexidade quando espaço de memória é liberado gerenciamento das listas: Espaços vazios espaço ocupado anteriormente; Fragmentação; 32

17 Gerenciamento de Memória Swapping Swapping: Chaveamento de processos inteiros entre a memória principal e o disco; Swap-out; Swap-in; Pode ser usado tanto com partições fixas quanto com partições variáveis; 33