Fundamentos de Sistemas Operacionais
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- Marcelo Lage Almeida
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1 Fundamentos de Sistemas Operacionais Aula 19: Memória Virtual: Introdução Diego Passos
2 Última Aula
3 Paginação Método de gerenciamento de memória mais usado hoje. Espaço de endereçamento de um processo é dividido em páginas. Pequenos blocos de tamanho fixo. Páginas são mapeadas em quadros da memória principal. Quadros alocados para um processo não precisam ser contíguos. Não há fragmentação externa. Alocação dos processos é simples.
4 Memória Virtual: Introdução
5 Motivação Sistemas monoprogramados são ineficientes. Apenas um processo ativo por vez. Alta probabilidade dos recursos ficarem ociosos. Processador, por exemplo. Sistemas multiprogramados são mais eficientes. Vários processos ativos simultaneamente. Alta probabilidade de ao menos um processo utilizar cada recurso a cada momento. Quanto maior o número de processos em memória, maior a eficiencia. Maior o grau de multiprogramação.
6 Motivação (mais) O SO procura permitir o uso do maior número possível de processos simultaneos. Limitado pelo tamanho da memória principal. Processos devem estar carregados na memória. Tamanho da memória principal limita também o tamanho dos processos que podem ser executados. Espaço de endereçamento deve ser menor ou igual ao tamanho da memória. Problema comum em computadores antigos. Mesmo hoje, ocorre em aplicações científicas.
7 Memória Virtual Solução para as limitações da memória principal. SO aumenta a capacidade de armazenamento da memória principal usando a memória secundária. Simula que a máquina tem mais memória principal do que realmente possui. Processo ainda precisa ter seu espaço de endereçamento em memória principal para executar. Mas temporariamente pode ser levado para memória secundária para liberar espaço. Operação de swap. Escalonador de médio prazo decide quando e em que processos aplicar o swap.
8 Memória Virtual (mais) Implementada pela grande maioria dos SOs modernos. No Linux, usuário é instruído a criar uma partição de swap. Espaço em disco reservado especificamente para uso como memória virtual. No Windows, SO cria um arquivo comum no disco. Muitas vezes chamado Arquivo de Paginação. A memória virtual pode ser usada com qualquer esquema de gerenciamento de memória. No entanto, maiores vantagens são obtidas em conjunto com a paginação. Esquema denominado de paginação por demanda. Permite que processos estejam parcialmente em memória principal.
9 Paginação sob Demanda
10 Ideia Combinação da paginação com a memória virtual. Algumas páginas de um processo podem não estar em quadros da memória principal. Ao invés, eles são colocados na área de swap na memória secundária. Quando processo tenta acessar memória, MMU consulta a tabela de páginas. Se o bit de validade é 1, página está em memória principal. Acesso é feito normalmente. Caso contrário, interrupção é gerada. SO vai buscar a página na área de swap. Página é copiada para a memória principal.
11 Falta de Página Evento no qual a MMU não encontra uma página necessária em memória principal. Após a interrupção gerada: SO faz requisição de leitura do disco. Operação de E/S (portanto, lenta). Processo não pode executar. SO o coloca no estado suspenso. Quando E/S termina, processo é colocado novamente na fila de aptos. Sua tabela de páginas é atualizada. Eventualmente, escalonador recoloca o processo em execução.
12 Falta de Página (mais) Se a memória está completamente ocupada, SO precisa mover uma página para memória secundária. Operação de swap. Registrador IP do processo pode ter que ser consertado. Instrução que gerou falta de página não foi executada com sucesso. Ela precisa ser repetida.
13 Política de Alocação de Páginas O nome "Paginação sob Demanda" vem do fato das páginas serem alocadas conforme necessário. Inicialmente, apenas a página "inicial" do processo é necessária. Página que contém as primeiras instruções. Ao longo da execução, faltas de página ocorrem. Novas páginas são trazidas para memória principal. No início, falta de páginas acontece com frequência. Espera-se que após um tempo a situação se estabilize. Quando houver um número razoável de páginas carregadas.
14 Política de Alocação de Páginas (mais) Nem sempre esta é uma boa estratégia. Pode ser mais interessante proativamente trazer mais páginas. Tentar prever quais serão necessárias em um futuro próximo. Princípio da localidade referencial. Se as previsões forem boas, haverá poucas faltas de página. Menos necessidade de acesso a disco.
15 Princípio da Localidade Referencial Prega que dados manipulados em um programa tendem a ser próximos. Em termos temporais. Variável acessada agora tem grande probabilidade de ser acessada novamente em breve. Em termos espaciais. Variáveis próximas a variável sendo acessada agora, têm grande probabilidade de serem acessadas em breve. SO pode usar este princípio para trazer páginas antes que elas sejam necessárias. Exemplo: trazer as duas páginas subsequentes à atualmente requisitada.
16 Quantas Páginas Alocar? Quando há memória disponível, SO pode alocar quantas páginas forem necessárias para um processo. Processo pode ter todas as suas páginas carregadas. Mas quando há muitos processos ativos, pode não ser possível manter todos os processos completos em memória. Neste caso, quantas páginas devem ser dadas a cada processo? Três abordagens: Divisão igualitária: número de páginas é igual para todos os processos. Divisão proporcional: número de páginas é proporcional ao tamanho do processo. Não levar número de páginas em consideração.
17 Desempenho da Paginação sob Demanda
18 Dois Tempos de Acesso Tempo de acesso à memória dependeda localização da página. Se a página está em memória, acesso é rápido. Se acontece falta de página, o tempo é muito longo. E também variável. Depende do tempo de acesso à disco. Depende de se há ou não espaço em memória principal. Depende do tempo que o processo demora para ser escalonado novamente. A pergunta é: qual o tempo médio de acesso à memória?
19 Tempo Médio de Acesso Também conhecido como tempo efetivo de acesso à memória. Tempo médio depende de três fatores: t_am: tempo de acesso à memória quando não há falta de página. t_tf: tempo de acesso quando há falta de página. p: probabilidade de ocorrência de falta de página. Neste caso, o tempo médio é dado por: t_e = (1-p)*t_am + p*t_tf
20 Reduzindo o Tempo de Acesso O tempo de acesso a memória quando a página está disponível pode ser considerado uma constante. Depende das características do hardware. Tempo de tratamento de falta de página depende do tempo de acesso a área de swap. Velocidade do disco. Overhead do SO. Alguns sistemas tentam melhorar este tempo. Exemplo: UNIX, com uso de partições de swap dedicadas. No entanto, em geral o efeito é relativamente baixo. Disco é muito lento.
21 Reduzindo o Tempo de Acesso (mais) Maior potencial de redução está na probabilidade de ocorrência de falta de páginas. Idealmente, SO deseja manter p = 0. Só é possível se há memória física suficiente para acomodar todos os processos. É possível reduzir p através de métodos inteligentes de substituição de páginas. Quando uma página é trazida para memória, outra tem que ser retirada. Se retirarmos a página errada, ela logo será necessária. Causando outra falta de página.
22 Algoritmo de Substituição de Página Usado sempre que uma página deve ser escolhida para sair da memória principal. Ou seja, falta de página com todos os quadros ocupados. Objetivo: escolher a Página Vítima. Página a ser removida em favor da página necessária. Página vítima deve ser uma não necessária em um futuro próximo. Fatores relevantes na escolha: Modificação ou não da página. Páginas modificadas são piores candidatos. Histórico de acessos. Páginas recentemente acessadas tem mais chance de próximos acessos.
23 Bits de Controle de Página SOs mantém na tabela de páginas bits de controle associados com cada página. Indicam características da página que auxiliam no processo de substituição. Há três bits comumente encontrados: Bit de sujeira. Bit de referência. Bit de tranca.
24 Bit de Sujeira Também chamado de dirty bit. Indica se uma página sofreu alterações. Em relação ao momento em que ela foi trazida para memória principal. Caso a página tenha sido alterada, SO terá que copiá-la novamente para a área de swap ao removê-la da memória principal. A cada requisição de escrita à página, seu bit de sujeira é alterado para 1 pela MMU. Quando uma página é trazida para memória, o SO inicializa este bit com 0.
25 Bit de Referência Também chamado de reference bit. Permite ao SO estimar a quanto tempo uma página não é acessada. Quando SO traz uma página para a memória, bit de referência é setado para 1. A cada acesso à página, MMU altera este bit para 1. De tempos em tempos, SO zera todos os bits de referência. Se uma página tem bit de referência em 0, SO tem uma ideia do tempo desde o último acesso.
26 Bit de Tranca Também chamado de lock bit. Indica que uma página não pode ser removida da memória principal. Exemplo de utilização: operação de E/S. Processo requisita leitura de arquivo. Buffer para recepção da leitura pertence a página P, alocada no quadro Q. DMA recebe endereço físico, e não lógico. Se o SO remove a página P, DMA continua escrevendo o resultado no quadro Q. Possivelmente sobrescrevendo dados de outro processo.
27 Revisão
28 Para Lembrar Memória virtual: Método que aumenta a capacidade da memória principal. Utiliza a memória secundária. Paginação sob Demanda: Une paginação e memória virtual. Processos podem estar parcialmente em memória. Páginas trazidas conforme a necessidade. Falta de página. Substituição de Páginas: Objetivo. Critérios.
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