Gerência de Memória. Alocação

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1 Gerência de Memória Alocação

2 Introdução Atribuição de Endereços, Carregamento Dinâmico, Ligação Dinâmica Espaço de Endereçamento Físico versus Lógico Alocação Contígua Simples Overlay Alocação Particionada Fragmentação Externa e Interna Gerência de Memória com Mapeamento de Bits Gerência de Memória com Listas Ligadas Algoritmos de Alocação de Partições Swapping 2

3 Memória um dos mais importantes recursos de um computador necessidade de ser gerenciada Programas devem ser colocados dentro de um processo e então carregados em memória para serem executados. Input queue coleção de processos no disco que estão aguardando carregamento em memória para executarem o programa. Funções de um Gerente de Memória controlar quais partes da memória estão em uso controlar quais partes estão livres alocar memória a processos quando estes precisarem desalocar quando eles não mais necessitarem gerenciar a troca (swapping ) dos processos entre memória principal e disco, quando a memória não é grande o suficiente para guardar todos os processos 3

4 A CPU busca instruções da memória de acordo com o valor do contador de instruções (PC) do programa em execução. Essas instruções podem: buscar novos valores de endereços específicos da memória armazenar novos valores em posições específicas da memória Programas de usuário passam por vários passos antes de começarem a ser executados. UAL UC PC Registrador Registrador Instrução Parâmetros Resultado Memória Principal 4

5 A maioria dos sistemas permite que os processos de usuários sejam colocados em qualquer parte da memória assim, embora o espaço de endereçamento comece em 0000, o endereço inicial de um processo não precisa ser este. A ligação de endereços de instruções e de dados para os endereços de memória podem acontecer em 3 estágios diferentes: Em tempo de compilação código absoluto: se o programa vai ser carregado no endereço E, o código gerado pelo compilador inicia-se neste endereço (se for alterado, deve ser recompilado). Ex.:.COMʼʼ do DOS Programa Fonte compilador ou montador Código Objeto tempo de compilação 5

6 Em tempo de carga código relocável: quando não se conhece em tempo de compilação a posição em que o programa será armazenado. Ex.: Compilador: 14 bytes do início Carregador: Código Objeto ligador Cód Obj de outros módulos tempo de carga Código Relocável Biblioteca de sistema carregador 6

7 Em tempo de execução se o processo pode ser movido durante sua execução, a determinação do endereço deve ser atrasada para o tempo de execução há a necessidade de suporte de hardware para o mapeamento de endereços (p.ex.: registradores base e limite) carregador Código binário executável Biblioteca de sistema Biblioteca de sistema carregada dinamicamente tempo de execução 7

8 O conceito de um espaço de endereçamento lógico que está associado a um espaço de endereçamento físico separado é central ao adequado gerenciamento da memória. Endereço Lógico gerado pela CPU; também conhecido como endereço virtual. Endereço Físico endereço visto pela unidade de memória. Endereços Lógico e Físico são os mesmo nos esquemas de atribuição de endereços em tempo de compilação e em tempo de carga. Endereços Lógico e Físico diferem quando se usa esquema de atribuição de endereços em tempo de execução. 8

9 Dispositivo de hardware que mapeia endereços virtuais em endereços físicos. Através da MMU, o valor do registrador de relocação é adicionado a todo endereço gerado pelo processo do usuário no instante em queee é enviado à memória. O programa do usuário lida com endereços lógicos; ele nunca vê o endereço físico real. 9

10 Registrador Base CPU Endereço Endereço Lógico Físico #346 + #14346 Memória Principal MMU Unidade de Gerenciamento de Memória 10

11 Rotina não é carregada até que ela seja chamada Melhor utilização do espaço de memória Rotinas que não são usadas nunca são carregadas. Útil quando grandes quantidades de código são necessárias para manipular casos pouco freqüentes. Nenhum suporte especial do S.O. é requerido Implementado através do projeto do programa. 11

12 A ligação (linking) é adiada até o tempo de execução. Stub: um pequeno pedaço de código usado para a localização da rotina dinâmica, residente em memória, apropriada. O stub substitui a si próprio com o endereço da rotina e a executa. É necessário o suporte do S.O. para verificar se a rotina está no endereço de memória dos processos. Ligação Dinâmica é particularmente útil para bibliotecas. Economia de espaço Atualização Controle de concorrência 12

13 Toda vez que desejarmos executar um programa (residente em memória secundária), deveremos, de alguma forma, carregá-lo para a memória principal, para que o processador possa referenciar suas instruções e seus dados Nos sistemas monoprogramados a gerência da memória não é muito complexa, mas nos sistemas multiprogramados ela se torna crítica A seguir apresentaremos os principais esquemas de organização e gerência da memória principal 13

14 Implementada nos primeiros SOs e ainda está presente em alguns sistemas monoprogramados Esquema mais simples para gerência de memória A memória principal é dividida em duas partes: uma para o Sistema Operacional outra para o(s) programa(s) do(s) usuário(s) SO pode ocupar tanto a parte baixa quanto a parte mais alta da memória, dependendo da localização do vetor de interrupções 14

15 No IBM-PC é utilizado o terceiro modelo: nos 8KB mais altos dos 1 MB de endereçamento existe uma ROM com um programa chamado BIOS (Basic Input Output System), correspondente a todos os drivers 0xFF 0x00 Memória Principal Área para o processo do usuário Sistema Operacional em RAM Memória Principal Sistema Operacional em ROM Área para o processo do usuário Memória Principal Drivers de dispositivos em ROM Área para o processo do usuário SO em RAM 15

16 Usuário tem controle sobre toda a memória principal, podendo acessar até a área do SO (caso do DOS) PROTEÇÃO: Pode-se implementar um esquema de proteção usando um registrador que delimite as áreas do SO e usuário Memória Principal Sistema Operacional Registrador Área para o processo do usuário 16

17 Sempre que um programa do usuário faz referência a um endereço de memória, o sistema verifica se o endereço está nos seus limites (registrador base e registrador limite). Caso não esteja, o programa de usuário pode ser cancelado e ser gerada uma mensagem de erro CPU Endereço Lógico Registrador Limite < Registrador Base + Endereço Físico Memória Principal MMU interrupção de software; erro de endereçamento 17

18 Problemas: não permite a utilização eficiente do processador e nem da memória principal, além de limitar o tamanho do programa do usuário Memória Principal Em SOs que suportam o conceito de MULTIPROGRAMAÇÃO, é preciso que existam outras formas de organização da memória principal, a fim de suportar vários processos na memória simultaneamente Sistema Operacional Processo do Usuário Área Livre 18

19 Sobreposição (Overlay) (usuário) O que fazer quando se tem um programa que ocupa mais memória do que a disponível? Verifica-se se o programa tem seções que não necessitem permanecer na memória durante toda a execução Mantém-se na memória somente aquelas instruções e dados que são necessários a qualquer hora. Essas seções, uma vez executadas, podem ser substituídas por outras A substituição ocorre pela transferência da seção do disco para a memória na área de overlay, cobrindo a seção anterior O programa é inicialmente carregado mais rapidamente, entretanto, a execução ficará um pouco mais lenta, devido ao tempo extra gasto com a sobreposição 19

20 50K 20K Armazenamento Primário Parte fixa do processo Rotina de controle de overlay Fase inicial 50K Armazenamento Secundário Fase intermediária 30K Fase final 80K 80K Área de Overlay 20

21 O mecanismo de overlay é pouco transparente, pois a definição das áreas de overlay é função do programador (não é do SO), através de comandos específicos da linguagem utilizada. Dependendo da definição, pode ocasionar sérias implicações no desempenho das aplicações, devido à transferência excessiva dos módulos entre o disco e a memória 21

22 Motivação: tornar mais fácil programar uma aplicação, dividindo-a em dois ou mais processos existência de serviço interativo para vários usuários simultaneamente (tempo de resposta) utilização da CPU (existência de processos I/O bound ) Modelos de Multiprogramação Modelos Simplista Se cada processo gasta 20% de seu tempo na memória usando o processador, então 5 processos alcançam um fator de utilização da CPU de 100% E se os 5 processos esperam por E/S simultaneamente? 22

23 Modelo Probabilistico Cada processo gasta p% de seu tempo com E/S n processos probabilidade de estarem aguardando E/S simultaneamente: p n Exemplo: F.U. CPU = 1 - p n 1 MB de memória, SO de 200K, processos de 200K e cada um gasta 80% do tempo com E/S 4 processos na memória FU CPU 60% Adição de 1 MB de RAM grau de 4 p/ 9 FU 87% Adição de mais 1 MB de RAM grau de multiprogramação de 9 para 14 FU 96% 23

24 Nos primeiros SOs multiprogramados a memória principal era dividida em pedaços de tamanho fixo (possivelmente distintos), chamados partições O tamanho das partições era estabelecido na fase de inicialização do sistema (boot), em função dos tamanhos dos programas que iriam ser executados alteração de tamanho de partição Tabela de partições Partição reinicialização Tamanho 1 2 KB 2 5 KB 3 8 KB Programas a serem executados E D C B A 3KB 6KB 1KB 4KB 2KB Memória Principal Sistema Operacional Partição 1 Partição 2 Partição 3 2 KB 5 KB 8 KB 24

25 A proteção baseia-se em dois registradores, que indicam os limites inferior e superior da partição onde o programa está sendo executado Acessos do processo usuário provocam a comparação com o registrador limite, caso haja invasão, o processo é terminado com uma mensagem de erro. Memória Principal Endereço inicial Sistema Operacional Endereço final Partição 1 Partição 2 Partição 3 25

26 E as chamadas aos serviços do SO? Isto é resolvido através da instrução chamada ao supervisor (supervisor call ) Modo Usuário versus Modo Supervisor Modo Usuário: Execução das instruções disponíveis aos usuários Modo Supervisor: Todas as instruções permitidas (não é feita comparação com o registrador limite) A passagem do modo usuário para o modo supervisor ocorre quando da solicitação de um serviço 26

27 Partições Fixas com Filas Múltiplas: processo é colocado em uma partição determinada. Se estiver ocupada, aguarda na fila; ou, processo é colocado na fila da menor partição em que caiba Problema: partições não utilizadas Programas a serem executados Memória Principal Sistema Operacional Partição 1 Partição 2 Partição 3 27

28 Partições Fixas com Fila Única: fila única para todas as partições; processo é colocado na fila da menor partição disponível em que caiba Memória Principal Programas a serem executados Sistema Operacional Partição 1 Partição 2 Partição 3 28

29 Problema: colocação de um programa pequeno em uma partição grande partições vazias por falta de clientes Uma tentativa de solução: correr toda a fila antes de escolher o cliente Problema: discrimina pequenos processos 29

30 Em sistemas em que os compiladores e montadores geram apenas código absoluto, os processos podem executar em apenas uma das partições, mesmo que outras estejam livres Programas a serem executados C E A B D Memória Principal Sistema Operacional 2 KB Partição 1 Partição 2 5 KB 8 KB Partição 3 Se os processos A e B estivessem executando e a partição 3 estivesse livre, os processos C e E não poderiam ser executados 30

31 Com a evolução dos compiladores, linkers e loaders, tornou-se possível a geração de código relocável, permitindo que os processos sejam carregados em qualquer uma das partições Programas a serem executados D E 6KB 3KB Memória Principal Sistema Operacional 2 KB Processo C Processo A 5 KB 8 KB Processo B Se os processos A e B terminarem de executar, o processo E pode ser carregado e executado em qualquer uma das duas partições 31

32 Problema da APE: fragmentação excessiva Fragmentação é o problema que surge quando pedaços de memória ficam impedidos de serem utilizados por outros processos. Memória Principal Programas a serem executados D B 6KB 4KB Sistema Operacional Processo C Processo A Processo E 1 KB 3 KB 3 KB 32

33 Visa reduzir o problema da fragmentação e, consequentemente, aumentar o grau de compartilhamento da memória É eliminado o conceito de partições de tamanho fixo Na APD, cada processo utiliza o espaço necessário, passando esse pedaço a ser a sua partição Memória Principal Programas a serem executados A E C B 2KB 3KB 1KB 4KB Sistema Operacional 11 KB Sistema Operacional Processo B Processo C Processo E Processo A 4 KB 1 KB 3 KB 2 KB 1 KB 33

34 0 400K 2560K Memória Principal Sistema Operacional Fila de processos Processo Tamanho Tempo P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 600K 1000K 300K 700K 500K

35 0 400K 0 so so so so so 400K 0 400K 0 400K 0 400K 1000K P 1 P 1 P 1 P 5 900K 1000K 1000K 1000K 1000K 2000K 2300K P 2 P 2 termina 2000K 2300K 2000K 2300K P 4 P aloca 4 P 4 aloca P 1 a P 4 termina 1700K 1700K 2000K 2300K a P K 2000K P 3 P 3 P 3 P 3 P K 2560K 2560K 2560K 2560K 2560K 35

36 Neste esquema, a fragmentação começa a ocorrer quando os processos forem terminando e deixando espaços cada vez menores na memória, não permitindo o ingresso de novos processos Programa a ser executado D 6KB Memória Principal Sistema Operacional 4 KB Processo C 1 KB 3 KB Processo A 2 KB 1 KB Apesar da existência de 8 Kbytes de memória livre, o processo D não poderá ser carregado 36

37 Soluções para a fragmentação: Primeira: aglutinar espaços livres adjacentes em um único espaço de tamanho maior. No exemplo anterior, caso o processo C termine, teríamos: Memória Principal Sistema Operacional 4 KB Memória Principal Sistema Operacional Processo C 1 KB 3 KB 8 KB Processo A 2 KB 1 KB Processo A 2 KB 1 KB 37

38 Como gerenciar? (ver tópico Gerência de Uso da Memória) Mapa de Bits Lista de partições ocupadas Lista de partições livres Ao término do processo, um buraco pode ser: adicionado à lista de partições livres (caso a nova partição livre esteja cercada de partições ocupadas) incorporada a uma das partições da lista de partições livres (caso o buraco seja adjacente a uma partição livre) Não resolve completamente o problema (pode haver buracos pequenos...) 38

39 Segunda: fazer uma relocação de todas as regiões ocupadas (movimento de todos os processos), eliminando todos os espaços entre elas e criando-se uma única área livre contígua. Este método é conhecido como compactação. Memória Principal Memória Principal Sistema Operacional Processo C Processo A 4 KB 1 KB 3 KB 2 KB 1 KB Sistema Operacional Processo C Processo A 1 KB 2 KB 8 KB 39

40 Problemas: Consumo de recursos (grande quantidade de área em disco e de tempo de processador consumido em sua implementação) Sistema necessita parar (pode ser desastroso para sistemas de tempo real) 40

41 Modos de Compactação 0 300K so 0 300K so 0 so 300K 0 so 300K 500K 600K 1000K 1200K 1500K 1900K P 1 P 2 400K P 3 300K P 4 200K 2100K Configuração inicial 500K 600K 800K 1200K P 1 P 2 P 3 P 4 900K 2100K 600K transferidos K 600K 1000K 1200K P 1 P 2 P 4 P 3 900K 2100K 400K transferidos 500K 600K 1500K 1900K P 1 P 2 900K P 4 P K 200K transferidos

42 Fragmentação Externa: existe memória suficiente para satisfazer uma requisição, mas ela não é contínua Estatisticamente, de cada N blocos alocados, N/2 blocos são perdidos devido à fragmentação (33%) Fragmentação Interna: Memória Principal memória interna a uma partição, mas que não é usada. Ex.: requisição de bytes Sistema Operacional Processo bytes Uma solução para fragmentação externa é compactação Processo 43 42

43 Memória subdividida em unidades de alocação A cada unidade de alocação 1 bit no mapa Se bit é 0, esta parte da memória está livre Se bit é 1, está ocupada Tamanho da unidade de alocação versus tamanho do mapa Se a unidade de alocação for de 4 bytes a parte da memória gasta com este mapa é de apenas 3% Se a unidade for maior tamanho do mapa é menor, mas aumenta o desperdício de memória (fragmentação interna) Desvantagem: para encontrar k unidades de alocação livres percorrer mapa inteiro procurando k bits iguais a zero muito lento! 43

44 (a) Parte da memória (b) Mapa de bits correspondente (c) Lista ligada correspondente 44

45 Lista ligada de segmentos alocados e de segmentos livres Ordenação por endereços rápida atualização quando do término/remoção da memória Possíveis combinações para a conclusão de um processo X: A X A X X X B B após o término de X fica Com listas duplamente encadeadas a tarefa é ainda mais simples! A A B B 45

46 Como atender uma requisição de tamanho n a partir de uma lista de buracos livres? Estratégias de alocação de memória para escolher o ponto em que deve ser carregado um processo recém criado ou que veio do disco por troca (swapped in) Listas separadas para processos e buracos: First-fit: mais rápido na busca por buracos mais lento na liberação de memória variante: os próprios buracos podem ser usados para implementar a lista de partições livres A lista de partições livres é percorrida e a primeira partição suficientemente grande para o pedido é escolhida A lista pode ser mantida em ordem aleatória ou ordenada em ordem crescente de endereço rápido 46

47 Memória Principal Memória Principal Sistema Operacional 3 KB Sistema Operacional Processo F 2 KB F 1 KB Processo C 4 KB Processo C Processo A 2 KB Processo A 47

48 Next-fit: Idêntico ao First-fit com a diferença que a busca se inicia a partir do último ponto em que encontrou um buraco Best-fit: desempenho ligeiramente mais lento que o First-fit A lista de partições livres é percorrida e a menor partição suficientemente grande para o pedido é escolhida A lista é ordenada em ordem crescente de tamanho lento se a lista não estiver ordenada (teria que percorrer a lista inteira) desempenho ruim devido a muitos buracos pequenos (fragmentação externa) 48

49 Memória Principal Memória Principal Sistema Operacional Sistema Operacional 3 KB F 1 KB Processo C 4 KB Processo C Processo A 2 KB Processo A Processo F 1 KB 49

50 Worst-fit: A lista de partições livres é percorrida e a maior partição suficientemente grande para o pedido é escolhida A lista é ordenada em ordem decrescente de tamanho Quick-fit: diminui um pouco o problema da fragmentação Listas separadas para alguns tamanhos mais comuns especificados (por exemplo, uma fila para 2K, outra para 4K, outra para 8K, etc) busca por buraco rápida entretanto, a liberação de memória é lenta (reagrupar buracos e modificá-los de fila) 50

51 Memória Principal Memória Principal Sistema Operacional 3 KB Sistema Operacional F 1 KB Processo C 4 KB Processo C Processo F 3 KB Processo A 2 KB Processo A 51

52 Mesmo com o aumento da eficiência da multiprogramação e da gerência de memória, muitas vezes um programa não podia ser executado por falta de uma partição livre disponível Em todos os esquemas apresentados anteriormente, um programa permanecia na memória principal até o final de sua execução, inclusive nos momentos em que esperava por um evento, como uma operação de E/S Uma solução é a técnica de swapping, cujo objetivo é o de liberar espaço na RAM para que outros processos possam ser carregados e executados Backing store disco rápido e grande o suficiente para acomodar cópias de todas as imagens de memória para todos os usuários Versões modificadas de swapping são encontradas em vários sistemas (p.ex., UNIX, Linux e Windows). 52

53 Neste esquema, o SO escolhe um programa residente na memória principal, levando-o da memória para o disco (swap out) Memória Principal Sistema Operacional H 4 KB Processo C Processo A Processo G Processo B A 53

54 Posteriormente, o processo retorna para a memória principal (swap in), como se nada tivesse ocorrido Memória Principal Sistema Operacional A Swap in Processo C Processo H Processo G 54

55 Mapeamento de espaço lógico em espaço físico de endereçamento, em tempo de carregamento, torna ineficiente recarregar o processo em outra região física diferente da do primeiro carregamento Solução: Introdução de hardware que faça o mapeamento durante a execução do processo: interceptador de endereços lógicos que soma um valor base aos mesmos, produzindo o endereço físico Não há mais necessidade da tabela de endereços relocáveis 55

56 Relocação Estática: Mapeamento em tempo de carregamento Relocação Dinâmica: Mapeamento durante a execução Endereço Lógico = Endereço Virtual É o valor de um deslocamento em relação ao início do programa 56

57 Exemplo de hardware para mapeamento Contém o endereço físico onde foi carregado o início do programa Registrador Base Instrução Operação End. Lógico + Endereço Físico = Endereço Real (disponível na memória) 57

58 Proteção em relocação dinâmica Consiste em comparar o endereço físico com o comprimento do programa Instrução de chamada ao supervisor Separação entre dados e instruções Permite o compartilhamento de instruções por dois ou mais processos Permite duplicar o tamanho máximo do espaço lógico Exige a duplicação do hardware necessário para relocação e proteção 58

59 Garantir espaço em disco sempre que algum processo é swapped out Os algoritmos para gerenciar o espaço alocado em disco para swapping são os mesmos de gerência da memória principal Em alguns sistemas, isto é feito somente no momento da criação do processo e tal espaço permanece reservado A única diferença é que a quantidade de espaço reservado no disco deve ser um múltiplo do tamanho dos blocos do disco 59