Gerência de memória II

Transcrição

1 Gerência de memória II Eduardo Ferreira dos Santos Ciência da Computação Centro Universitário de Brasília UniCEUB Maio, / 48

2 Sumário 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 2 / 48

3 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 3 / 48

4 Conceitos Problema do bloatware: programas que usam muito mais memória do que deveriam; É preciso então fornecer ao usuário a ilusão de que o computador tem muito mais memória do que realmente tem; Some os seguintes tamanhos: Código-fonte; Dados; Pilha de execução. Solução: manter na memória principal apenas a parte que está em uso; O resto ca na memória secundária (disco). 4 / 48

5 Conceitos (cont.) Ideia: desvincular o endereçamento lógico do endereçamento físico; Cada programa tem seu próprio espaço de endereçamento. Figura 1.1: Execução de memória virtual 1 1 Fonte: 5 / 48

6 Implementação Generalização dos conceitos de registrador-limite e registrador-base; Ao invés de realizar realocação separada para os segmentos de texto e dados, mapeia o espaço de endereçamento completo na memória física; Vantagens [Favacho, 2009]: O tamanho dos programas não é limitado pela memória do computador; Mais programas podem executar ao mesmo tempo. Pode ser implementada de duas maneiras: Paginação Divide a memória física e a memória virtual em blocos de mesmo tamanho chamados páginas; Segmentação Divide a memória física e a memória virtual em blocos de tamanhos diferentes chamados segmentos. 6 / 48

7 Segmentação 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 7 / 48

8 Segmentação Conceitos Quando começa a escrever o código o programador pensa o programa como um conjunto de métodos, procedimentos ou funções; Pode incluir também várias estruturas de dados; Normalmente, ao escrever o código, ele não se preocupa com o o endereço de memória que cada uma dessas estruturas vai ocupar; A segmentação se baseia na visão do programador: o programa é uma coleção de segmentos; Segmentos são unidades lógicas. Um compilador da linguagem C pode criar, por exemplo, os seguintes segmentos: Código; Variáveis globais; A heap, de onde a memória é alocada; As pilhas (stacks) utilizadas por cada thread; A biblioteca C padrão (stdlib.h, stdio.h, etc). Bibliotecas cuja alocação acontece no momento da compilação podem ocupar segmentos diferentes na memória. 8 / 48

9 Segmentação Segmentação (gráco) Figura 1.2: Divisão da memória em segmentos [Galvin et al., 2013] 9 / 48

10 Segmentação Mapeamento O endereço lógico do segmento constitui uma dupla: < segment_number, oset > O mapeamento entre endereços lógicos e físicos é controlado pela tabela de segmentos. Tabela de segmentos Mapeia endereços físicos bi-dimensionais. Cada entrada contém as seguintes informações: base endereço físico inicial do segmento na memória; limit tamanho do segmento. Segment-table base register (STBR) Endereço da tabela de segmentos na memória; Segment-table length register (STLR) Número de segmentos utilizados por um programa. O segmento número s é ilegal se s < STLR. 10 / 48

11 Segmentação Visão lógica Figura 1.3: Visão lógica da segmentação [Galvin et al., 2013] 11 / 48

12 Segmentação Segmentação no hardware Figura 1.4: Algoritmo de segmentação implementado no hardware [Galvin et al., 2013] 12 / 48

13 Segmentação Segmentação (exemplo) A referência ao byte 1222 do segmento 0 resultaria numa interrupção, pois o segmento só possui 1000 bytes. Figura 1.5: Exemplo de segmentação [Galvin et al., 2013] 13 / 48

14 Paginação 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 14 / 48

15 Paginação Paginação [Favacho, 2009] Técnica de gerência de memória onde o espaço de endereçamento virtual e o espaço de endereçamento real são divididos em blocos iguais; Na paginação é permitido o uso de espaço físico de memória não contíguo; As páginas no espaço virtual são chamadas páginas virtuais; A correspondência na memória física é chamada de moldura de página (frame); Quando um processo precisa ser executado, suas páginas são carregadas em frames disponíveis de memória. 15 / 48

16 Paginação Memory Management Unit MMU Componente físico que mapeia, em tempo de execução, endereços lógicos para endereços físicos; Diferentes métodos para mapear endereços físicos e virtuais: 1 O valor do registrador de realocação é adicionado a cada endereço gerado pelo processo e enviado para a memória. Intel 80x86 possuía quatro registradores para realocação. 2 O programa do usuário trabalha somente com endereços virtuais. O endereçamento em tempo de execução é feito quando o valor da memória é solicitado; O endereço lógico é vinculado ao endereço físico. 16 / 48

17 Paginação Registrador de realocação Figura 1.6: Realocação dinâmica utilizando registrador de realocação [Galvin et al., 2013] 17 / 48

18 Paginação Implementação Páginas e molduras têm sempre o mesmo tamanho; O tamanho das páginas é uma potência de 2, que normalmente varia entre 2 12 e 2 22 ( ) bytes; Endereços virtuais utilizam a MMU para mapear endereços físicos e virtuais; O mapeamento é realizado através de tabelas de páginas; Cada página virtual possui uma entrada na tabela ETP Entrada na Tabela de Páginas; A tabela permite ao SO localizar a página correspondente, seja em memória ou no disco; Ainda possui fragmentação interna. 18 / 48

19 Paginação Hardware Figura 1.7: Exemplo de paginação no hardware [Galvin et al., 2013] 19 / 48

20 Paginação Acesso à memória Passos no acesso à memória: 1 A CPU envia o endereço virtual à MMU; 2 Na MMU o endereço virtual é dividido em (p, d), onde p é a página e d é o deslocamento dentro da página; 3 A MMU utiliza a página p para acessar a tabela de páginas e recuperar o frame f no qual a página p reside; 4 A MMU substitui o p por f e coloca o endereço (f, d) no barramento. O endereço virtual é formado pelo número da página virtual (NPV) e um deslocamento dentro da página; O NPV identica unicamente uma página virtual: o deslocamento é o índice; Calcula-se o endereço físico somando o endereço do frame com o deslocamento contido no endereço virtual. 20 / 48

21 Paginação Mapeamento (gráco) Figura 1.8: Algoritmo de mapeamento [Favacho, 2009] 21 / 48

22 Paginação Exemplo Figura 1.9: Exemplo de organização em páginas [Favacho, 2009] 22 / 48

23 Paginação Acesso 1 O programa tenta acessar o endereço 0 (MOVE REG, 0); 2 O endereço virtual 0 é enviado à MMU; 3 A MMU conclui que o endereço virtual está na página 0 (endereços 0 a 4095); 4 O processo de mapeamento está na moldura de página (frame) 2 (endereços 8192 a 12287); 5 A MMU transforma o endereço entregue para 8192 e coloca o valor no barramento. 23 / 48

24 Paginação Acesso (gráco) Figura 1.10: Acesso à página [Favacho, 2009] 24 / 48

25 Paginação Outro exemplo 1 O endereço virtual está a 20 bytes do início da página virtual 5 (endereços virtuais de a 24575); 2 A página virtual 5 está na página real 3 (endereços reais de a 16383); 3 Qual o endereço real que será mapeado? 25 / 48

26 Paginação Outro exemplo 1 O endereço virtual está a 20 bytes do início da página virtual 5 (endereços virtuais de a 24575); 2 A página virtual 5 está na página real 3 (endereços reais de a 16383); 3 Qual o endereço real que será mapeado? 4 O endereço é mapeado no endereço real = / 48

27 Paginação Layout do espaço de memória Figura 1.11: Layout do espaço de endereçamento de memória no Linux [Duarte, 2009] 27 / 48

28 Alocação de páginas 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 28 / 48

29 Alocação de páginas Considerações sobre paginação O espaço de endereçamento virtual é, geralmente, bem maior que a memória física disponível; Algumas páginas não estão mapeadas na memória; Cada página virtual do processo possui uma entrada na tabela ETP; Cada entrada possui um bit de validade, que indica se a página está ou não na memória principal; Bit de validade: 1 -> está na memória; 0 -> não está na memória. 29 / 48

30 Alocação de páginas Bit de validade Figura 2.1: Utilização de bit de validade [Galvin et al., 2013] 30 / 48

31 Alocação de páginas Validação Quando o processo faz referência a um endereço virtual o sistema verica, através do bit de validade, se a página está ou não na memória principal; Se não estiver é necessário transferir a página da memória secundária para a memória principal; Quando a página é transferida, diz-se que houve um page fault (falha de página) no sistema; A taxa de paginação indica muito ou pouco overhead de processamento. 31 / 48

32 Alocação de páginas Análise Figura 2.2: Ferramentas de análise da memória virtual 32 / 48

33 Alocação de páginas Análise II Figura 2.3: Servidor com muita carga 33 / 48

34 Alocação de páginas Gerenciamento de page fault [Favacho, 2009] 1 Vericar se a referência de memória desse processo está dentro do seu espaço de endereçamento; 2 Se a referência for inválida, o processo é nalizado; 3 Se a referência for válida, toma-se uma das posições de memória para colocar a nova página; 4 É feita uma operação de disco para recuperar a página solicitada; 5 Quando o disco é lido, procede-se à modicação da tabela de páginas, indicando que a página agora está em memória (bit = 1). 6 A instrução é reiniciada, agora com a página requerida na memória. 34 / 48

35 Alocação de páginas Page fault Figura 2.4: Algoritmo para gerenciar falhas de página (page fault) 35 / 48

36 Alocação de páginas Tabela de páginas ETP Guarda informações de mapeamento; Uma das possibilidades de organização é criar uma tabela para cada processo; O crescimento da tabela pode ser grande demais, considerando o aumento do espaço de endereçamento (64 bits); Campos comuns à maior parte das tabelas de página: bit de cache Se a página pode ser colocada em cache; bit de referência Se a página foi referenciada; bit de proteção Permissão da página para o processo; bit de presente/ausente Página presente/ausente em memória física; número do frame Frame onde a página está mapeada 36 / 48

37 Alocação de páginas Tabelas de páginas 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 37 / 48

38 Alocação de páginas Tabelas de páginas Localização da ETP A tabela de páginas pode ser localizada tanto na MMU quanto na memória principal; Tabela de páginas totalmente armazenada na MMU; Estratégias híbridas: MMU e memória principal; Alguns fatores considerados na escolha da estratégia Overhead da troca de contexto; Tamanho da tabela de páginas; Simplicidade de implementação; Quantidade de acessos à tabela Custo. 38 / 48

39 Alocação de páginas Tabelas de páginas Localização na MMU A tabela de páginas é mantida na memória principal; Componentes de hardware auxiliam no controle da tabela de páginas [Galvin et al., 2013]: Page-table base register PTBR Aponta para a tabela de páginas; Page-table length register PTLR Tamanho da tabela de páginas Cada instrução necessita de dois acessos à memória: 1 Acessa a ETP; 2 Acessa o dado/instrução. 39 / 48

40 Alocação de páginas Tabelas de páginas Considerações sobre MMU Utilização de registradores especiais; Cada registrador contém uma entrada da tabela; A tabela de páginas é carregada na troca de contexto direto dos registradores; Vantagens [Favacho, 2009]: Fácil de implementar; Mapeamento eciente; Desvantagens: Inviável para páginas grandes; Aumento do overhead na troca de contexto. 40 / 48

41 Alocação de páginas Tabelas de páginas Abordagem híbrida Tenta reduzir o custo de realizar dois acessos utilizando um tipo especial de cache chamado TLB Translation Look-aside Buer; A tabela de páginas é armazenada na memória principal e um registrador contém o endereço de início; Quando um endereço virtual é apresentado à MMU primeiro acessa o TLB; Caso não esteja no TLB, realiza o acesso à memória para procurar o endereço; Insere a entrada no TLB para as próximas referências; Vantagens: Custo relativamente baixo; Desvantagens: Alguns acessos à memória precisarão pagar o custo adiciona de acesso. 41 / 48

42 Alocação de páginas Tabelas de páginas Implementação TLB Figura 2.5: Paginação em hardware utilizando TLB [Galvin et al., 2013] 42 / 48

43 Alocação de páginas Políticas de alocação 1 Memória Virtual Segmentação Paginação 2 Alocação de páginas Tabelas de páginas Políticas de alocação 43 / 48

44 Alocação de páginas Políticas de alocação Número de frames Há duas alternativas para determinar o número de frames que cada processo pode manter na memória principal: Fixo Todo processo aloca uma quantidade xa de frames. Cada processo tem um número máximo de frames; Quantos frames alocar para cada processo? Variável Número de frames depende da taxa de paginação. Varia de acordo com a ocupação da memória; Como denir o número máximo por processo? 44 / 48

45 Alocação de páginas Políticas de alocação Política de alocação Como deve ser alocada a memória livre? Estratégias: Número mínimo de quadros; Alocação igual. Divide m quadros por n processos. Assim, cada processo tem direito a m n quadros; Alocação proporcional, levando em consideração o tamanho do processo. 45 / 48

46 Alocação de páginas Políticas de alocação Escopo Escopo da política de alocação de páginas: Local Só podem ser selecionados frames alocados ao processo. Número total de quadros do processo permanece constante; Global Os frames são compartilhados entre todos os processos. Todas as páginas são candidatas à realocação; Um processo pode realocar frames de outro; Como gerenciar? É possível reduzir o espaço de memória de outro processo. 46 / 48

47 Alocação de páginas Políticas de alocação OBRIGADO!!! PERGUNTAS??? 47 / 48

48 Alocação de páginas Políticas de alocação Duarte, G. (2009). Anatomy of a program in memory. Disponível em: anatomy-of-a-program-in-memory/ Acessado em 11/04/2016. Favacho, A. (2009). Notas de aula da Profa. Aletéia Favacho. Galvin, P. B., Gagne, G., and Silberschatz, A. (2013). Operating system concepts. John Wiley & Sons, Inc. 48 / 48