Sistemas de Informação. Sistemas Operacionais

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1 Sistemas de Informação Sistemas Operacionais

2 GERÊNCIA DE MEMÓRIA VIRTUAL SUMÁRIO 6 GERÊNCIA DE MEMÓRIA VIRTUAL: 61 Introdução; 62 Espaço de Endereçamento Virtual; 63 Mapeamento; 64 Memória Virtual por Paginação; 65 Memória Virtual por Segmentação; 66 Memória Virtual por Segmentação com Paginação; 67 Swapping em Memória Virtual; 68 Thrashing

3 61 Introdução Memória virtual é uma técnica sofisticada de gerência de memória, onde as memórias principal e secundária são combinadas dando ao usuário a ilusão de existir uma memória muito maior que a memória principal O conceito de memória virtual fundamenta-se em não vincular o endereçamento feito pelo programa com os endereços físicos da memória principal Outra vantagem da técnica de memória virtual é permitir um número maior de processos compartilhando a memória principal Existe um forte relacionamento entre a gerência da memória virtual e a arquitetura de hardware do sistema computacional

4 62 Espaço de Endereçamento Virtual Endereço Físico VET [1] VET [2] VET [3] VET [4] VET [5] VET [100]

5 62 Espaço de Endereçamento Virtual A memória virtual utiliza abstração semelhante, só que em relação aos endereços dos programas e dados Um programa no ambiente de memória virtual não faz referência a endereços físicos de memória (endereços reais), mas apenas a endereços virtuais

6 62 Espaço de Endereçamento Virtual Espaço de endereçamento virtual Endereço virtual 0 Endereço virtual 1 Endereço virtual 2 Endereço virtual 3 Endereço virtual 4 Endereço virtual 5 Endereço virtual V Espaço de endereçamento real Endereço real 0 Endereço real 1 Endereço real 2 Endereço real 3 Endereço real R

7 62 Espaço de Endereçamento Virtual Memória Virtual Memória Principal Memória Secundária

8 63 Mapeamento No momento da execução de uma instrução, o endereço virtual referenciado é traduzido para um endereço físico, pois o processador manipula apenas posições da memória principal O mecanismo de tradução do endereço virtual para o endereço físico é chamado de mapeamento

9 63 Mapeamento Memória Virtual Memória Principal Mapeamento

10 63 Mapeamento Nos sistemas modernos, a tarefa de tradução de endereços virtuais é realizada por hardware juntamente com o sistema operacional, de forma a não comprometer seu desempenho O dispositivo de hardware responsável por essa tradução é conhecido como Unidade de Gerência de Memória (Memory Management Unit - MMU) Depois de traduzido, o endereço real pode ser utilizado pelo processador para acesso à memória principal

11 63 Mapeamento Espaço de endereçamento virtual de A Endereço virtual 1 Tabela de mapeamento de A Memória Principal Processo A Espaço de endereçamento virtual de B Endereço virtual 1 Tabela de mapeamento de B Processo B

12 63 Mapeamento

13 64 Memória Virtual por Paginação É a técnica de gerência de memória em que o espaço de endereçamento virtual e o espaço de endereçamento real são divididos em blocos de mesmo tamanho chamados páginas A definição do tamanho da página é um fator importante no projeto de sistemas que implementam memória virtual por paginação O tamanho da página está associado à arquitetura do hardware e varia de acordo com o processador, mas normalmente está entre 512 e 16MB

14 64 Memória Virtual por Paginação As páginas no espaço virtual são denominadas páginas virtuais, enquanto as páginas no espaço real são chamadas páginas reais ou frames Todo o mapeamento de endereço virtual em real é realizado através de tabelas de páginas Cada processo possui sua própria tabela de páginas, e cada página virtual do processo possui uma entrada na tabela de páginas (ETP)

15 64 Memória Virtual por Paginação Memória Virtual Página virtual 0 Memória Principal Página real 0 Página virtual 1 Página virtual 2 Tabela de páginas Página real 1 ETP Página real R Memória Secundária Página virtual V

16 64 Memória Virtual por Paginação Página virtual Deslocamento Nessa técnica, o endereço virtual é formado pelo número da página virtual (NPV) e por um deslocamento NPV Endereço virtual Desloc O endereço físico é obtido, então, combinando-se o endereço do frame, localizado na tabela de páginas, com o deslocamento contido no endereço virtual ETP Tabela de páginas End do frame Além da informação sobre a localização da página virtual, a ETP possui outras informações, como o bit de validade (valid bit): 0 a PV não está na memória principal; 1 a página está localizada na memória End do frame Desloc Frame Deslocamento Endereço físico

17 Page fault 64 Memória Virtual por Paginação Endereço virtual Memória Principal Tabela de páginas Bit de validade 0 Page in Memória secundária Tabela de páginas Memória Principal Bit de validade 1 Memória secundária

18 64 Memória Virtual por Paginação O número de page faults (falhas de página) gerados por cada processo em um determinado intervalo de tempo é definido como taxa de paginação do processo O overhead (considerado qualquer processamento ou armazenamento em excesso, seja de tempo de computação, de memória, de largura de banda ou qualquer outro recurso que seja requerido para ser utilizado ou gasto para executar uma determinada tarefa) gerado pelo mecanismo de paginação é inerente à gerência de memória virtual Quando um processo referencia um endereço e ocorre um page fault, o processo em questão passa do estado de execução para o estado de espera, até que a página seja transferida do disco para a memória principal

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21 641 Políticas de Busca de Páginas A política de busca de páginas determina quando uma página deve ser carregada para a memória Basicamente, existem duas estratégias: Paginação por demanda (demand paging): as páginas dos processos são transferidas da memória secundária para a principal apenas quando são referenciadas; Paginação antecipada (antecipatory paging): o sistema carrega para a memória principal, além da página referenciada, outras páginas que podem ou não ser necessárias ao processo ao longo do seu processamento Pode ser empregada no momento da criação de um processo ou na ocorrência de um page fault

22 642 Políticas de Alocação de Páginas A política de alocação de páginas determina quantos frames cada processo pode manter na memória principal São, basicamente, duas alternativas: Alocação fixa: cada processo tem um número máximo de frames que pode ser utilizado durante a execução do programa Caso o número de páginas reais seja insuficiente, uma página deve ser descartada para que uma nova seja carregada; Alocação variável: o número máximo de páginas alocadas ao processo pode variar durante sua execução em função de sua taxa de paginação e da ocupação da memória principal

23 643 Políticas de Substituição de Páginas Quando um processo atinge o seu limite de alocação de frames e necessita alocar novas páginas na memória principal, o SO deve selecionar, dentre as diversas páginas alocadas, qual deverá ser liberada Qualquer estratégia de substituição de páginas deve considerar se uma página foi ou não modificada antes de liberá-la O sistema operacional consegue identificar as páginas modificadas através de um bit que existe em cada ETP, chamado bit de modificação (modify bit) A política de substituição de páginas pode ser classificada conforme seu escopo, ou seja, dentre os processos residentes na memória principal quais são os candidatos a ter páginas realocadas

24 643 Políticas de Substituição de Páginas Memória Principal Arquivo de paginação Page out Page in

25 643 Políticas de Substituição de Páginas Em função desse escopo, a política poder ser definida como: Política de substituição local: apenas as páginas do processo que gerou o page fault são candidatas a realocação; Política de substituição global: todas as páginas alocadas na memória principal são candidatas à substituição, independente do processo que gerou o page fault Algumas páginas, como as do núcleo do sistema, são marcadas como bloqueadas e não podem ser realocadas Existe uma relação entre o escopo da política de substituição e a política de alocação de páginas

26 644 Working Set Como cada processo possui na memória principal apenas algumas páginas alocadas, o sistema deve manter um conjunto mínimo de frames buscando uma baixa taxa de paginação Ao mesmo tempo, o SO deve impedir que os processos tenham um número excessivo de páginas na memória O conceito de working set (criação de trabalho) surgiu como objetivo de reduzir o problema do thrashing e está relacionado ao princípio da localidade: Espacial: tendência a novas referências a endereços próximos de uma posição de memória referenciada; Temporal: tendência que uma mesma posição seja novamente referenciada em um curto intervalo de tempo

27 644 Working Set O princípio da localidade significa, na prática, que o processador tenderá a concentrar suas referências a um conjunto de páginas do processo durante um determinado período de tempo Página 0 Inicialização Página 1 WHILE () DO BEGIN Página 2 Página 3 END; Página 4 Imprime resultados

28 644 Working Set A partir da observação do princípio da localidade, Peter Denning formulou o modelo de working set, que é definido como o conjunto de páginas referenciadas por um processo durante um determinado intervalo de tempo Janela do working set ( t) P2 P3 P2 P8 t 1 t 2 W(t, t) 2 tempo

29 644 Working Set Tamanho do working set: P2 P3 P4 P5 P2 P5 P5 P5 P5 P6 t 1 t 2 t 3 tempo t a t b

30 644 Working Set O intervalo de tempo Δt é denominado janela do working set O número de páginas distintas referenciadas é conhecido como tamanho do working set O working set refletirá a localidade do programa, reduzindo a taxa de paginação e evitando, consequentemente o thrashing Considerando que a localidade de um programa varia ao longo da sua execução, o tamanho do working set também varia, ou seja, o seu limite de páginas reais deve acompanhar essa variação

31 644 Working Set Para implementar esse modelo, o SO deve garantir que o working set de cada processo permaneça na memória principal, determinando quais páginas devem ser mantidas e retiradas em função da última janela de tempo Em função disso, o modelo de working set deve ser implementado somente em sistemas que utilizam a política de alocação de páginas variável, onde o limite de páginas reais não é fixo Uma maneira de implementar o modelo de working set é analisar a taxa de paginação de cada processo, conhecida como estratégia de frequência de page fault

32 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Os algoritmos de substituição de páginas têm o objetivo de selecionar os frames que tenham as menores chances de serem referenciados em um futuro próximo A melhor estratégia de substituição de páginas seria aquela que escolhesse um frame que não fosse mais utilizado no futuro ou levasse mais tempo para ser referenciado novamente A seguir, analisaremos os principais algoritmos existentes para a substituição de páginas

33 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Ótimo; Aleatório; Relógio; LFU (Least-Frequently-Used); LRU (Least-Recently-Used); NRU (Not-Recently-Used)

34 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Ótimo: O melhor algoritmo de troca de páginas é fácil de descrever, mas impossível de implementar O algoritmo opera da seguinte maneira: no momento que ocorre uma falta de página, um certo conjunto de páginas está na memória Uma dessas páginas será referenciada em muitas das próximas instruções Outras páginas não serão referenciadas antes de 10, 100 ou talvez 1000 instruções Cada página pode ser rotulada com o número de instruções que serão executadas antes que a página seja inicialmente referenciada

35 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Ótimo: O algoritmo ótimo simplesmente diz que a página com o maior rótulo deve ser removida, adiando-se o máximo possível a próxima falta de página (A exemplo das pessoas, os computadores também tendem a adiar o quanto possível a ocorrência de eventos desagradáveis)

36 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Aleatório: Escolhe uma página qualquer do working set, sem critério Qualquer página tem a mesma chance de ser escolhida Porém esse algoritmo é pouco eficiente

37 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Relógio: Lista circular com ponteiro apontando para a página mais antiga, na forma de um relógio e a seta aponta para a página mais antiga

38 645 Algoritmos de Substituição de Páginas

39 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Relógio: Quando ocorre um page fault, inspecionasse o apontador da lista; Se R = 0: Substitui a página da cabeça pela nova página

40 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Relógio: Quando ocorre um page fault, inspecionasse o apontador da lista; Se R = 0: Substitui a página da cabeça pela nova página; Avança o ponteiro em uma nova posição

41 645 Algoritmos de Substituição de Páginas Relógio: Quando ocorre um page fault, inspecionasse o apontador da lista; Se R = 1: Avançasse a cabeça em uma posição; Repetisse o processo até encontrar página com R = 0

42 645 Algoritmos de Substituição de Páginas LFU (Least-Frequently-Used): A página escolhe a menos acessada dentre todas Um contador controla o número de referências feitas a cada página e será selecionada a página com o menor contador Problema: As páginas que entraram mais recentemente no Working Set terão maior probabilidade de serem selecionadas

43 645 Algoritmos de Substituição de Páginas LRU (Least Recently Used): Página Menos Recentemente Usada Uma boa aproximação para o algoritmo ótimo é baseada em uma observação comum que as páginas muito usadas nas últimas instruções, provavelmente o serão nas próximas instruções Da mesma forma, páginas que não têm sido usadas por um longo tempo provavelmente continuarão sem uso Esta observação sugere um algoritmo realizável Na ocorrência de uma falta de página, este algoritmo irá remover as páginas menos referenciadas nas últimas instruções, pois ele parte do princípio que as páginas que foram referenciadas nas últimas instruções continuarão sendo acessadas

44 645 Algoritmos de Substituição de Páginas LRU (Least Recently Used): Embora o algoritmo LRU seja teoricamente realizável, seu custo é alto Para implementação completa do LRU, é necessário manter uma lista ligada de todas as páginas em memória, com a página mais recentemente usada no início e a menos recentemente usada no final A dificuldade é que a lista deve ser atualizada em toda referência de memória Encontrar a página na lista, removê-la de sua posição corrente, e movê-la para o início representa um esforço não desprezível

45 645 Algoritmos de Substituição de Páginas LRU (Least Recently Used):

46 645 Algoritmos de Substituição de Páginas NUR (Not Recently Used): É a página não utilizada recentemente Para permitir que o sistema operacional colete estatísticas sobre quais páginas estão sendo usadas e quais não estão, muitos computadores com memória virtual têm 2 bits associados a cada página Um bit, R ou bit de referência, é ativado pelo hardware sempre que a página a ele associada for referenciada O outro bit, M ou bit de modificação, é ativado pelo hardware quando uma página é escrita É importante que estes bits sejam atualizados em qualquer referência de memória, assim, é essencial que eles sejam ativados pelo hardware Uma vez que um bit for ativado, ele permanece ativado até que o sistema operacional o desative (por software)

47 645 Algoritmos de Substituição de Páginas NUR (Not Recently Used): Os bits R e M podem ser usados para construir um algoritmo de paginação simples como se segue Quando um processo é iniciado, ambos os bits de página para todas estas páginas são declarados 0 pelo sistema operacional Periodicamente (ie a cada interrupção de tempo), o bit R é zerado, para distinguir páginas que não foram referenciadas recentemente daquelas que tenham sido

48 645 Algoritmos de Substituição de Páginas NUR (Not Recently Used): Quando uma falta de página ocorre, o sistema operacional examina todas as páginas e as classifica em 4 categorias baseado nos valores correntes de seus bits R e M: Classe 0: não referenciada, não modificada Classe 1: não referenciada, modificada Classe 2: referenciada, não modificada Classe 3: referenciada, modificada

49 645 Algoritmos de Substituição de Páginas FIFO (First-In-First-Out); saída entrada Página mais antiga Página mais recente

50 645 Algoritmos de Substituição de Páginas FIFO com buffer de páginas; início Lista de páginas livres fim (a) (c) (b) fim Lista de páginas alocadas início

51 645 Algoritmos de Substituição de Páginas FIFO circular (clock) BR= 1 BR= 0 P1 P1 BR= 1 BR= 0 Pn página mais antiga P2 Pn P2 BR= 0 P3 página selecionada BR= 0 P3 P5 P4 P5 P4 (a) (b)

52 646 Tamanho de Página O tamanho da página está associado à arquitetura do hardware e varia de acordo com o processador, mas normalmente está entre 512 e 16M endereços O tamanho da página tem impacto direto sobre o número de entradas na tabela de páginas e, consequentemente, no tamanho da tabela e no espaço ocupado na memória principal Com o aumento do espaço de endereçamento e da velocidade de acesso à memória principal, a tendência no projeto de SOs com memória virtual por paginação é a adoção de páginas maiores, apesar dos problemas citados

53 646 Tamanho de Página Fragmentação interna: Página 0 PROGRAM Frag; VAR Página 1 PROCEDURE A; Página 2 END; Página 3 BEGIN Página 4 END Fragmentação

54 647 Paginação em Múltiplos Níveis Em sistemas que implementam apenas um nível de paginação, o tamanho das tabelas de páginas pode ser um problema 0 Tabela de páginas Endereço Virtual NPV Desloc 20 bits 12 bits Mb 20 (2-1) 32 bits

55 647 Paginação em Múltiplos Níveis A ideia é que o princípio da localidade seja aplicado também às tabelas de mapeamento NPV 1 10 bits Endereço Virtual NPV 2 10 bits Desloc 12 bits Tabela diretório Tabela de páginas frame

56 647 Paginação em Múltiplos Níveis Tabela de páginas 0 frame 100 frame Tabela diretório Tabela de páginas 1 frame 4000 frame Memória Principal Tabela de páginas

57 648 Translation Lookaside Buffer Os projetistas de computadores estudam esse problema há anos e encontraram uma solução, com base na observação de que a maioria dos programas tende a trazer um grande número de referências a um mesmo pequeno conjunto de páginas virtuais Assim, somente uma reduzida parte das entradas da tabela de páginas é intensamente lida; as entradas restantes são raramente referenciadas A solução concebida foi equipar os computadores com um pequeno dispositivo em hardware para mapear os endereços virtuais para endereços físicos sem passar pela tabela de páginas Esse dispositivo, denominado Translation Lookaside Buffer ou TLB (Tabela de Tradução de Endereço) ou às vezes memória associativa

58 648 Translation Lookaside Buffer Endereço Virtual NPV Desloc Translation Lookaside Buffer (TLB) BV Tag End Físico Memória principal 1 Tabela de mapeamento BV End Físico Memória secundária

59 648 Translation Lookaside Buffer

60 649 Proteção da Memória Mecanismo de proteção: L G Endereço da página/ segmento Bits de proteção LG Descrição Sem acesso Acesso de leitura Acesso para leitura/ gravação

61 6410 Compartilhamento de Memória Espaço de endereçamento virtual de A Endereço virtual 1 Tabela de mapeamento de A Memória Principal Processo A Página Espaço de endereçamento virtual de B Endereço virtual 1 Tabela de mapeamento de B Processo B

62 65 Memória Virtual por Segmentação Para muitos problemas, ter dois ou mais espaços de endereços separados pode ser muito melhor do que ter somente um Por exemplo, um compilador tem muitas tabelas construídas em tempo de compilação, possivelmente incluindo: 1 O texto-fonte sendo salvo para impressão (em sistemas em lote); 2 A tabela de símbolos que contém os nomes e os atributos das variáveis; 3 A tabela com todas as constantes inteiras e em ponto flutuante usadas; 4 A árvore sintática, a qual contém a análise sintática do programa; 5 A pilha usada pelas chamadas de procedimentos dentro do compilador Cada uma das primeiras quatro tabelas cresce continuamente quando a compilação prossegue A última cresce e diminui de modo imprevisível durante a compilação

63 65 Memória Virtual por Segmentação Segmentação: PROGRAM Segmento; VAR A: ARRAY C: PROCEDURE X; END; FUNCTION Y; Procedimento X Programa Principal Função Y Array A END; BEGIN END Variável C

64 65 Memória Virtual por Segmentação Segmento virtual Tradução do endereço virtual: Deslocamento Endereço virtual Desloc Tabela de segmentos ETS End do segmento Desloc Segmento na memória principal Deslocamento Endereço físico

65 65 Memória Virtual por Segmentação

66 65 Memória Virtual por Segmentação

67 66 Memória Virtual por Segmentação com Paginação Técnica em que os processos são divididos logicamente em SEGMENTOS e cada SEGMENTO é dividido fisicamente em PÁGINAS Endereço Virtual é formado por: Número do segmento; Número de página dentro do segmento; Deslocamento dentro da página

68 66 Memória Virtual por Segmentação com Paginação Memória virtual por segmentação com paginação é a técnica de gerência de memória onde o espaço de endereçamento é dividido em segmentos e, por sua vez, cada segmento dividido em páginas Esse esquema de gerência de memória tem o objetivo de oferecer as vantagens tanto da técnica de paginação quanto da segmentação Nessa técnica, um endereço virtual é formado pelo número do segmento virtual (NSV), um número de página virtual (NPV) e um deslocamento Através do NSV, obtém-se uma entrada na tabela de segmentos, que contém informações da tabela de páginas do segmento O NPV identifica unicamente a página virtual que contém o endereço, funcionando como um índice na tabela de páginas

69 66 Memória Virtual por Segmentação com Paginação O deslocamento indica a posição do endereço virtual em relação ao início da página na qual se encontra O endereço físico é obtido, então, combinando-se o endereço do frame, localizado na tabela de páginas, com o deslocamento, contido no endereço virtual O sistema trata cada segmento como um conjunto de páginas de mesmo tamanho, mapeadas por uma tabela de páginas associada ao segmento Dessa forma, um segmento não precisa estar contíguo na memória principal, eliminando o problema da fragmentação externa encontrado na segmentação pura Vários sistemas importantes têm suportado segmentos paginados

70 66 Memória Virtual por Segmentação com Paginação Segmento virtual Endereço virtual Num segmento Num página Deslocamento Tabela de segmentos ETS End da tabela de páginas Tabela de páginas ETP Endereço do frame Endereço do frame Deslocamento Endereço físico

71 67 Swapping em Memória Virtual A técnica de swapping também pode ser aplicada em sistemas com memória virtual, permitindo aumentar o número de processos que compartilham a memória principal e, consequentemente, o grau de multiprogramação do sistema Quando existem novos processos para serem executados e não há memória principal livre suficiente para alocação, o sistema utiliza o swapping, selecionando um ou mais processos para saírem da memória e oferecer espaço para novos processos Depois de escolhidos, o sistema retira os processos da memória principal para a memória secundária (swap out), onde as páginas ou segmentos são gravados em um arquivo de swap (swap file)

72 67 Swapping em Memória Virtual Com os processos salvos na memória secundária, os frames ou segmentos alocados são liberados para novos processos Posteriormente, os processos que foram retirados da memória devem retornar para a memória principal (swap in) para serem novamente executados

73 67 Swapping em Memória Virtual Memória Principal Processo A Processo B Processo F Processo C Processo D Swap out Processo E Memória Principal Processo C Processo A Processo F Swap in Processo B Arquivo de swapping Processo B Processo D

74 68 Thrashing Pode ser definido como sendo a excessiva transferência de páginas/segmentos entre a memória principal e a memória secundária Na memória virtual por paginação e por segmentação, o thrashing ocorre em dois níveis: no do próprio processo e no do sistema Em sistemas por paginação, no nível do processo, ocorre devido ao elevado número de page faults gerado pelo programa em execução e no sistema ocorre quando existem mais processos competindo por memória principal que espaço disponível Em sistemas por segmentação, no nível do processo, ocorre devida à modularização extrema do programa e no sistema é semelhante ao da paginação