Arquitetura de Sistemas Operacionais. Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia. Capítulo 9 Gerência de Memória

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1 Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia Capítulo 9 Gerência de Memória Cap. 5 Gerência de Memória 1 Sumário Introdução Funções básicas Alocação contígua simples Técnica de overlay Alocação Particionada Alocação Particionada Estática Alocação Particionada Dinâmica Estratégias de Alocação de Partição Swapping Cap. 5 Gerência de Memória 2 1

2 Introdução Enquanto nos sistemas monoprogramáveis a gerência da memória não é muito complexa, nos sistemas multiprogramáveis essa gerência se torna crítica, devido à necessidade de se maximizar o número de usuários e aplicações utilizando eficientemente o espaço da memória principal. Cap. 5 Gerência de Memória 3 Funções Básicas Manter o maior número de processos na memória Maximizar o compartilhamento da UCP e demais recursos Swapping Execução de programas maiores que memória disponível Proteção Compartilhamento Cap. 5 Gerência de Memória 4 2

3 Esquema de uso submete JOB para execução MEMÓRIA PRINCIPAL LOCATOR procura na biblioteca MEMÓRIA SECUNDÁRIA Biblioteca de programas LOADER carrega programa na memória Código do Programa e Recursos PAGEFILE Quando o espaço de memória é insuficiente EXECUÇÃO Cap. 5 Gerência de Memória 5 Alocações de Memória ALOCAÇÃO DE MEMÓRIA: Contígua Simples Particionada Estática ou Fixa Absoluta Relocável Particionada Dinâmica Não-Contígua ou Memória Virtual Paginação Segmentação Segmentação com Paginação Cap. 5 Gerência de Memória 6 3

4 Alocação Contígua Simples M e m ó r i a Pr i n ci p a l Si st e m a O p e r a cio n a l Á r e a p a r a p r o g r a m a implementado nos primeiros SO monoprogramável memória contígua contínua, adjacentes dividida em duas áreas: para para programas do usuário não pode exceder o espaço disponível usuário tem controle total sobre o uso da memória Cap. 5 Gerência de Memória 7 Proteção Alocação Contígua Simples Sistema Operacional Registrador Área para programa Proteção do SO, o registrador delimita as áreas do SO contém o endereço final do SO define o endereçamento da área do programa. Cap. 5 Gerência de Memória 8 4

5 Alocação Contígua Simples Subutilização da memória memória subutilizada utilização ineficiente M e m ó r i a Pr i n ci p a l Si st e m a O p e r a cio n a l monousuário monoprogramável desperdício de recurso caro Pr o g r a m a d o u su á r i o Memória alocada para o programa Á r e a l i v r e Resto da memória não utilizada Fragmentação Interna Cap. 5 Gerência de Memória 9 Alocação Contígua Simples o programador deve desenvolver suas aplicações, preocupado, apenas, em não ultrapassar o espaço de memória disponível, ou seja, a diferença entre o tamanho total da memória principal e área ocupada pelo. M e m ó r i a Pr i n ci p a l Siste m a O p e r a cio n a l Á r e a p a r a p r o g r a m a Espaço de disponível para programas do usuário Não pode exceder o tamanho Cap. 5 Gerência de Memória 10 5

6 Técnica de Overlay Na alocação contígua simples, todos os programas estão limitados ao tamanho da área de memória principal disponível para o usuário. Uma solução encontrada para o problema é dividir o programa em módulos, de forma que seja possível a execução independente de cada módulo, utilizando uma mesma área de memória. Cap. 5 Gerência de Memória 11 Técnica de Overlay A memória de 8 Kb é insuficiente para o Programa com 9 kb dividir em 3 módulos (3 kb, 4 kb e ) módulo principal residente na memória de 3 kb Os Módulos Overlays compartilham a Área de Overlay de 4 kb Área de Overlay = 4 kb, definido pelo maior módulo (Ex. Cadastramento) Carregado da Memória Secundária para a Area de Overlay qdo. referenciado. Memória Secundária processamento Módulo principal CADASTRAMENTO cadastramento ÁREA DE OVERLAY Área livre IMPRESSÃO Área não utilizada Ficha do cliente Cap. 5 Gerência de Memória 12 6

7 Alocação Contígua Particionada Estática Partições são fixas e definidas na inicialização do S.O. Tamanhos são determinados baseados nos tamanhos dos programas e da sua necessidade de execução. Pode-se mudar os tamanhos das partições reinicializando o SO. Tabela de partições Partição Tamanho Partição Partição Kb Programas a serem executados: Partição 3 8 Kb E D C B A 6 Kb Cap. 5 Gerência de Memória 13 Alocação Contígua Particionada Estática Absoluta CÓDIGO ABSOLUTO - as referências e endereços são físicos e absolutos. C E A B Partição 1 Partição 2 São compilados para rodarem nas partições previamente definidas. Só rodam na partição onde foram compilados. D 6 Kb Partição 3 8 Kb Alocação da partição baseada na otimização de uso. Alocação em função do tamanho da necessidade de memória. A e C cabem na P1, P2 e P3 B e E não cabem na P1 e cabem na P2 e P3 D só cabe na P3 Cap. 5 Gerência de Memória 14 7

8 Alocação Contígua Particionada Estática Relocável D E 6 Kb CÓDIGO RELOCÁVEL todas as referências e endereços são relativos ao início do programa. Podem ser carregados e executados em qualquer partição. O Loader recalcula o endereçamento. Torna a execução mais flexível. Programa B 8 Kb Uso no OS/MFT Multiprogramming with Fixed Number of Tasks (IBM) do Mainframe e nos antigos UNIX. Cap. 5 Gerência de Memória 15 Alocação Contígua Particionada Estática Tabela de Alocação de Partições O SO procura uma partição livre através da tabela de alocação para determinar a partição de execução. Detrmina o tamanho da partição e a ocupação. Partição Tamanho Livre 1 Não 2 Sim 3 8 Kb Não 1 2 Área livre 3 Programa B Cap. 5 Gerência de Memória 16 8

9 Alocação Particionada Estática Proteção Limitação de uso registradores de endereços Proteção contra invasão de uso indesejado Endereço inicial Endereço final Cap. 5 Gerência de Memória 17 Alocação Particionada Estática Fragmentação Interna espaços não utilizados da partição na alocação da memória, são perdidos até o final da execução. partição1 = 2 kb partição2 = 5 kb partição3 = 8 kb D B programa C = 1 kb programa A = 2 kb programa E = 3 kb 6 Kb Programa E Fragmentação Interna partição1 = 1 kb partição2 = 3 kb partição3 = 5 kb Não serão usadas até o término da execução de cada partição. Cap. 5 Gerência de Memória 18 9

10 Alocação Contígua Particionada Dinâmica na Alocação Dinâmica ou Variável, eliminação do conceito de partição de tamanho fixa. cada programa ocupa o espaço necessário tornando este como partição. não ocorre a Fragmentação Interna. Programa B A E C B 1 Programa E Cap. 5 Gerência de Memória 19 Alocação Contígua Particionada Dinâmica Fragmentação Externa Ocorre ao término de cada programa na Alocação Contígua Particionada Dinâmica, deixando espaços insuficientes para carga de outro programa. Fragmentação Externa Espaço não utilizado O programa D tem 6 kb, espaço insuficiente nas fragmentações externas de 4 kb ou 3 kb Cap. 5 Gerência de Memória 20 10

11 Alocação Contígua Particionada Dinâmica Solução para a Fragmentação Externa 8 Kb Solução 1: reunião dos espaços adjacentes liberados quando o programa C terminar, produzindo área livre maior de 8 Kb ( ) Cap. 5 Gerência de Memória 21 Alocação Contígua Particionada Dinâmica com Relocação Solução para a Fragmentação Externa Relocação das partições Relocação 1 Solução 2: relocação de todas a partições ocupadas eliminando os espaços entre elas, produzindo uma única área livre contígua. reduz o problema de fragmentação porém aumenta complexidade Ex.: OS/MVT Multiprogramming with Variable Number of Tasks (IBM) Cap. 5 Gerência de Memória 22 11

12 Alocação Contígua Particionada Dinâmica Envolve a relocação de todas as partições ocupadas, eliminando todos os espaços entre elas e criando uma única área livre contígua. Para que esta solução possa ser implementada, é necessário que o sistema tenha a capacidade de mover os diversos programas na memória principal, ou seja, realizar a alocação particionada dinâmica com relocação. Cap. 5 Gerência de Memória 23 Estratégias de Alocação A melhor estratégia de alocação depende de muitos fatores e condições: tamanho do programa, prioridade de execução, etc. Lista de Áreas Livres Áreas livres Tamanho Área livre 1 Área livre 2 Área livre 3 Cap. 5 Gerência de Memória 24 12

13 Estratégias de Alocação Best-fit F Programa F Área livre escolhe a partição que produza menor fragmentação interna. Lista de Áreas Livres ordenado pelo tamanho para diminuir tempo de busca. desvantagem: tendência de aumentar a quantidade de fragmentação externa de pequeno tamanho, prejudicando as novas alocações. Cap. 5 Gerência de Memória 25 Estratégias de Alocação Worst-fit Programa F F Área livre escolhe a partição que produza maior Fragmentação Interna tendência de utilização de espaços de memória de maior tamanho, sendo possível a reutilização, diminuindo os problemas de Fragmentação Externa. desvantagem: por utilizar os maiores espaços de memória disponíveis, a fragmentação interna é grande, qdo. executa programas de pequeno porte, ficando poucas chances para programas maiores. Cap. 5 Gerência de Memória 26 13

14 First-fit Estratégias de Alocação Programa F Área livre F escolhe a primeira partição livre de tamanho suficiente para carregar o programa. Lista de Áreas Livres está ordenada por endereços crescentes. utiliza as áreas livres de endereços mais baixos, existe grande chance de obter grande partição livre nos endereços mais alta. É a estratégia mais rápida por consumir menos recursos do sistema. Cap. 5 Gerência de Memória 27 Swapping (Paginação) SWAPPING Resolver problemas de insuficiência de memória principal Atender processos no Estado de Espera da memória livre Algorítmo de escolha: menor chance de execução no Estado de Espera (Espera Outswapped) ou Pronto (Pronto Outswapped) Loader com Relocação Dinâmica Implementado. o Processo de SWAPPING pode ocorrer várias Vezes para o mesmo programa Programa H Sistema Operacional Programa B Programa E Programa G Sistema Operacional Programa H Programa E Área Livre Swap out Swap in Qdo. Prgm G terminar Memória Secundária B Arquivo de Swap Cap. 5 Gerência de Memória 28 14

15 SWAPPING Relocação Dinâmica Registrador de Relocação recebe o endereço inicial da carga. Registrador de Relocação + Endereço da instrução = ender. Físico. O programa pode ser carregado em qualquer posição da memória. Permite maior compartilhamento da e maior utilização dos recursos computacionais. desvantagem: elevado custo do dispositivo de E/S (swap in/out). Com pouca memória disponível e em situações críticas, o sistema pode ficar quase que dedicado a Swapping deixando de executar processos residentes IBM OS/360 da IBM e CTSS da MIT. Registrador de Relocação Endereço incial da partição Código de operação Instrução Endereço Endereço de memória Cap. 5 Gerência de Memória 29 15