Gerenciamento de Memória

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1 Gerenciamento de Memória Prof. Clodoaldo Ap. Moraes Lima Páginas compartilhadas Código compartilhado Paginação possibilita compartilhamento de código Uma cópia de código read-only é compartilhado entre diersos processos Editores de texto, compiladores, sistemas de janelas O código compartilhado dee aparecer no mesmo espaço de endereçamento lógico de todos os processos Proporciona grande economia de espaço ados priados Cada processo mantém cópia separada de registradores e de dados

2 Exemplo de páginas compartilhadas ed ed ed data Processo P Tabela de Pag. Para P data data ed ed ed ed ed ed Processo P Tabela de Pag. Para P data data Processo P Tabela de Pag. Para P Gerenciamento de Memória Memória Virtual - Paginação Cada página lógica (irtual) é carregada em uma página física (real), de mesmo tamanho, e uma tabela de páginas é construída; Paginação Simples: Todas as páginas lógicas de um processo sempre são carregadas para a memória física; Assim, sempre todas as páginas são álidas; 4

3 Gerenciamento de Memória Memória Virtual - Paginação Paginação por demanda (emand Paging): Apenas as páginas efetiamente acessadas pelo processo são carregadas na memória física; Bit de controle: quais páginas lógicas foram carregadas; Uma página inálida pode significar: A página esta fora do espaço lógico do processo; A página ainda não foi carregada para a memória física; 5 Gerenciamento de Memória Memória Virtual - Paginação Página inálida: MMU gera uma interrupção de proteção e aciona o sistema operacional; Se a página está fora do espaço de endereçamento do processo, o processo é abortado; Se a página ainda não foi carregada na memória física, ocorre uma falta de página (page fault); 6

4 Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação Falta de Página: Processo é suspenso e seu descritor é inserido em uma fila especial fila dos processos esperando uma página lógica; Uma página física lire dee ser alocada; A página lógica acessada dee ser localizada no disco; Operação de leitura de disco, indicando o endereço da página lógica no disco e o endereço da página física alocada; 7 Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação Após a leitura do disco: Tabela de páginas do processo é corrigida para indicar que a página lógica agora está álida e esta página física alocada; Pager: carrega páginas especificadas de um processo do disco para a memória principal; O descritor do processo é retirado da fila especial e colocado na fila do processador; 8

5 Memória Lógica Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação H G F E C Tabela de Páginas Simplificada isco H G F E C B A B A i i i i I i Memória Física 5 4 C F 9 Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação Se todas as páginas estierem ocupadas, uma página dee ser retirada: página ítima; Ex: ois processos P e P, cada um com 4 páginas lógicas; Memória física com 6 páginas;

6 Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação C B A H G F E Memória Lógica de P Memória Lógica de P Tabela de Páginas P Simplificada Tabela de Páginas P Simplificada Memória Física isco C B A H F E i 5 i 4 B 5 G 4 E F A P tenta acessar página! Falta de Página páginas de cada processo Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação C B A H G F E Memória Lógica de P Memória Lógica de P Tabela de Páginas P Simplificada Tabela de Páginas P Simplificada Memória Física isco C B A H F E i 5 4 i B 5 H 4 E F A Página (lógica) é escolhida como ítima! páginas de cada processo

7 Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação Qual página retirar da memória quando ocorre falta de página Praticamente cada sistema operacional possui um algoritmo diferente. Página Aleatória esempenho ruim, pode pegar uma página muito usada. Algoritmo ótimo Fácil de descreer, impossíel de implementar; Consiste em associar a cada página o número de instruções executadas antes de referenciar a página. Sempre remoer a página com maior número Sistema operacional não consegue determinar o número de instruções durante a execução; Útil em simulações (para comparar com outros) Programa solicita acesso a uma página Inicio CPU solicita TLB Memória esta cheia? Rotina para Manipulação de falta de página Sim Sim Página esejada está na TLB? Não Realiza substituição de página Não Acessa Tabela de página Página é lida do disco Página está na memória Física? Sim Não Tabela de página é atualizada Atualiza a TLB Processador gera Endereço físico 4 Fluxograma da solicitação de acesso às paginas

8 Gerenciamento de Memória Troca de Páginas - Paginação Algoritmos Ótimo Não Usada Recentemente (NRU) First-in First-Out (FIFO) Segunda Chance Relógio Menos Recentemente Usada (LRU) Conjunto de trabalho WSClock 5 Algoritmo de substituição de página ótimo Retira da memória a página que tem menos chance de ser referenciada; Praticamente impossíel de saber Impraticáel Usado em simulações para comparação com outros algoritmos; 6

9 Algoritmo de substituição de página não usada recentemente (NUR) bits associados a cada página R e M Classe não referenciada, não modificada; Classe não referenciada, modificada; Classe referenciada, não modificada; Classe referenciada, modificada; R e M são atualizadas a cada referência a memória. 7 Algoritmo de substituição de página não usada recentemente (NUR) NRU Periodicamente, o bit R é limpo para diferenciar as páginas que não foram referenciadas recentemente; A cada tick do relógio ou interrupção de relógios; Classe classe ; Vantagens: fácil de entender, eficiente para implementar e fornece bom desempenho. 8

10 Algoritmo de substituição de página primeira entrar primeira sair (FIFO) SO mantém uma lista das páginas atuais na memória página mais antiga na cabeça da lista página que chegou por último na memória no final da lista Na ocorrência de falta de página página na cabeça da lista é remoida noa página adicionada no final da lista Simples esantagem página há mais tempo na memória pode ser usada com muita freqüência Pouco utilizado 9 Algoritmo de substituição de página segunda chance FIFO + bit R; Página mais elha é candidata em potencial; Se bit R==, então página é retirada da memória; Caso contrario, R== E se dá uma noa chance à pagina colocando-a no final da lista; Se página A com R==; E ocorre falta página em tempo = ; Então R= e página A ai para final da lista º página carregada 7 8 Tempo (instantes de carregamento das páginas na memória) Página mais recente A B C º página carregada 7 8 Tempo Página mais recente B C A

11 Algoritmo de substituição de página relógio É semelhante ao algoritmo de segunda chance porém mantém páginas em uma lista circular; Mantém um ponteiro para página mais antiga, isto é, para a próxima candidata a substituição; Mesma semântica do algoritmo de segunda chance na falta de página; É mais eficiente que o segunda chance uma ez que não moe páginas na lista Se R= Troca de página esloca o ponteiro Se R= R= esloca o ponteiro Continua a busca Algoritmo de substituição de página relógio

12 Algoritmo de substituição de página menos recentemente usada (MRU) É baseada em uma boa aproximação do algoritmo ótimo: A página muito usada proaelmente continuará sendo empregada e forma análoga, página pouco usada tende a ser pouco empregada; Na falta de página, retira a página não utilizada há mais tempo; Na prática é demorado manter listas ordenadas por uso. Solução Usar hardware especial Aproximação por software Algoritmo de substituição de página menos recentemente usada (MRU) Primeira Solução Manter um contador para cada entrada na tabela de página e um registrador em hardware; A cada acesso à página incrementa o alor do contador na Tabela de Processos; Na falta de página retira a página com o menor contador de TP. Segunda Solução Caso tenha N páginas mantém uma matriz de NxN em hardware; Inicialmente todos os elementos da matriz são zero; Quando referência a página K coloca um em toda a linha k, e na seqüência, zera a coluna k. A linha que possui o menor alor dee ser remoida na falta de página esantagem Técnicas dependem de hardware especial; Aproximação por Software: duas maneiras NFU (not frequently used) Aging (enelhecimento) 4

13 Algoritmo de substituição de página menos recentemente usada (MRU) MRU usando uma matriz páginas referenciadas na ordem,,,,,,,,, 5 Simulação do MRU em software Requer contadores em software Para cada página existe um contador Associa um contador a cada página, iniciado com alor zero A cada interrupção de relógio, SO percorre todas as páginas, adiciona R ao contador; Na falta de página remoe a página com menor contador esantagem Nunca esquece páginas muito usadas; Raramente empregado 6

14 Simulação do MRU em software Modificação do algoritmo anterior, chamado: algoritmo do enelhecimento. Periodicamente, o SO desloca um bit a direita e adiciona na esquerda o alor de R iferencia ocorrências recentes das anteriores; O contador tem somente N bits (contador armazena os N últimos acessos). 7 O algoritmo do enelhecimento (aging) O algoritmo do enelhecimento (aging) simula o MRU em software 8 Note 6 páginas para 5 tiques de relógio, (a) (e)

15 Algoritmo de Substituição de páginas do Conjunto de trabalho Paginação por demanda páginas são carregadas na memória somente quando são necessárias; Pré-paginação conjunto de trabalho Conjunto de páginas que um processo está efetiamente utilizando (referenciando) em um determinado instante de tempo t: w(k,t) Objetio principal: reduzir a falta de páginas Um processo só é executado quando todas as páginas necessárias no tempo t estão carregadas na memória; SO gerencia quais páginas estão no conjunto de trabalho; 9 Algoritmo de Substituição de páginas do Conjunto de trabalho Para simplificar o conjunto de trabalho pode ser isto como o conjunto de páginas que o processo referenciou durante os últimos t segundos de tempo; Utiliza bit R e o tempo de relógio (tempo irtual) da última ez que a página foi referenciada.

16 Algoritmo de Substituição de páginas do Conjunto de trabalho Algoritmo de Substituição de páginas WSClock Relogio + Conjunto de trabalho; Lista de páginas formando um anel a cada página carregada na memória Utiliza o bit R e o tempo da última ez que a página foi referenciada;

17 Operação do Algoritmo WSClock Conceitos importantes sobre paginação Política de Alocação Global No momento da alocação procura por um frame em toda a memória física Aloca molduras de páginas dinamicamente conforme a necessidade dos processos Problema: processos com menor prioridade podem ter um número muito reduzido de página, e com isso, acontecem muitas faltas de páginas. Local No momento da alocação procura em um espaço de memória física atribuída ao processo; Existe um espaço de memória fixa por processo; ificuldade: definir quantas páginas cada processo pode utilizar; 4

18 Gerenciamento de Memória Alocação de Páginas Pagging aemons Processo que periodicamente inspeciona a memória e retira páginas quando existem poucos frames lires. Graa as páginas modificadas em disco. Thrashing Associado com o problema de definição do número de páginas Troca de páginas é uma tarefa cara e lenta Muitas ezes o processo por ter um número de páginas muito reduzido. Processo fica muito lento esperando pelo atendimento de uma falta de página thrashing Eitar problema: taxa máxima aceitáel de troca de páginas Suspender alguns processos, liberando páginas físicas (swapping) 5 Problema: pode aumentar o tempo de resposta dos processos.