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Sistemas Operacionais

Edeyson Andrade Gomes www.edeyson.com.br

Gerência de Memória

Sistemas Operacionais - Introdução Edeyson A. Gomes 2

Roteiro da Aula

w Gerência de Memória n  Metas n  Algoritmos



w  Programas só executam se estiverem na memória principal;

w  Funções do Gerenciador de Memória: n  Controlar alocação de processos;

l  Novos processos; l  Múltiplos processos; l  Término de processo; l  Crescimento e diminuição

w  Dados e Pilha



w Modelos n  Partições

l  Estáticas (Fixas) l  Dinâmicas (Variáveis)

n  (Swapping) n  Paginação n  Segmentação



w Endereço Lógico X Físico n  Problema:

l  Usuário cria programa. Ex.: prog1.c l  O Compilador gera código intermediário

w  Cl –c prog1.c §  prog1.obj

l  Esse código gera Executável? w  Não é possível encontrar o endereço da função soma().

#include <stdio.h> void main() { int x; x = soma (10, 20); printf("X = %d", x); }




l  Usuário cria programa. Ex.: soma.c l  O Compilador gera código intermediário

w  Cl –c soma.c §  soma.obj

l  Esse código gera Executável? w  Não é possível encontrar o endereço de início de execução è main().

int soma(int x, int y) { return x + y; }




l  Como gerar prog1.exe? w  Compilando-os e ligando-os

§  Cl prog1.c soma.c

n  Entendendo...



w Endereço Lógico X Físico n  Todo processo referencia endereço lógico n  O compilador não sabe onde o programa vai

executar na memória l  Logo, seu primeiro endereço é 0 l  O que significa chamar soma()?

w  Executar um CALL para seu endereço de memória §  Endereço lógico



w  Alocação Contígua Simples n  Partição Fixa n  Implementada nos primeiros sistemas e ainda usada nos

monoprogramáveis (monotarefa); n  Memória é dividida em duas áreas:

l  Sistema Operacional e processo do usuário;

n  Usuário não pode usar uma área maior do que a disponível;

n  Sem proteção.



w Alocação Contígua Simples

Sistema Operacional

Área para Processo

do usuário

Memória Principal Registrador

Base

Registrador de proteção delimita as áreas do sistema operacional e do usuário; Sistema verifica acessos à memória em relação ao endereço do registrador.

Registrador Limite




Sistema Operacional

Área para Processo

do usuário

0

800K

1024K Nesse modelo, o SO foi carregado na memória alta. Se o processo faz referência ao endereço real 2050, ele lhe pertence. Registrador Base = 0K Registrador Limite = 800K Suponha que prog1.c executando referencie o endereço lógico 100. Qual o endereço físico? Resp: 0K + 100 Nesse caso, o endereço lógico coincide com o físico.




Sistema Operacional

Prog1.c

0

800K

1024K Qual o maior endereço lógico referenciável por Prog1.c? Resp: 800K -1 pois é o valor do Limite. Mais que isso invade o SO. O Espaço de endereços de Prog1.c é [0, 800K)




Sistema Operacional

Área para Processo

do usuário

0

300K

1024K Nesse modelo, o SO foi carregado na memória baixa. Se o processo faz referência ao endereço real 2050, ele NÃO lhe pertence. Registrador Base = 300K Registrador Limite = 724K Suponha que prog1.c executando referencie o endereço lógico 100. Qual o endereço físico? Resp: 300K + 100 Nesse caso, o endereço lógico NÃO coincide com o físico.




Sistema Operacional

Prog1.c

0

300K

1024K Qual o maior endereço lógico referenciável por Prog1.c? Resp: [724K -1], pois é o valor do Limite. Mais que isso ele sai da memória. O Espaço de endereços físicos de Prog1.c é [300K, 1024K) O Espaço de endereços físicos do SO é [0, 300K)


Alocação Contígua Simples

w  Processos de usuário limitados pelo tamanho da memória principal disponível.

w  Solução: n  Dividir o programa em módulos ou partes; n  Permitir execução independente de cada módulo, usando

a mesma área de memória; n  Técnica: Overlay (sobreposição);


Alocação Contígua Simples

w  Permite ao programador “expandir” os limites da memória principal;

w  Overlay – Área de memória comum onde módulos compartilham mesmo espaço;

PROG.EXE 200KB

Cadastro.OVL 400KB

Relatório.OVL 350KB

Manutenção.OVL 420KB


Partições Fixas

w  Evolução dos sistemas operacionais demandou uso da memória por vários usuários simultaneamente;

w  Memória foi dividida em áreas de tamanho fixo: partições; n  Tamanho das partições era estabelecido no boot, em função do

tamanho dos programas; n  Reparticionamento demandava novo boot com a nova configuração.

w  Tipos de Alocação Particionada: n  Alocação Particionada Estática:

l  Absoluta e Relocável; n  Alocação Particionada Dinâmica.


Espaço de Endereçamento

w Endereço Lógico ou Virtual n  Gerado pela CPU n  Espaço de endereçamento lógico

w Endereço Físico n  Enviado à memória

l  Carregado no REM

n  Espaço de endereçamento físico



w Mapeamento do Espaço Virtual para Físico n  Só é necessário se a associação é feita em tempo

de execução n  Usuário trata endereços lógicos, nunca físicos n  Suporte de hardware: MMU

l  Memory Management Unit l  Exemplo: Registrador de relocação



CPU Memória

Registrador de relocação

14000

+

MMU

endereço lógico

346

endereço físico

14346


Técnicas de Gerenciamento

w Carga Dinâmica n  Rotinas não são carregadas até serem chamadas

l  Rotinas de exceção podem não ser chamadas

n  Melhor utilização do espaço de memória n  Não é necessário suporte do SO



w Ligação Dinâmica n  Aplica-se às bibliotecas do sistema

w Ligação Estática n  Todos módulos fazem parte da imagem gerada



w Ligação Dinâmica n  Bibliotecas compartilhadas

l  Trecho de código (stub) indica como localizar na memória ou carregar do disco w  Endereço fica armazenado para futuras referências

l  Economia de espaço em disco e na memória l  Atualização das bibliotecas sem nova linkedição

n  Requer suporte do SO l  Acesso a endereços fora dos limites do processo



w Overlays n  Sobreposição de dados e instruções

desnecessários n  Permite que um processo seja maior que o

espaço alocado a ele n  Complexa responsabilidade passada ao

programador l  Eventual suporte de compiladores


Alocação de Memória

w  Alocação Particionada Estática n  (Partições Fixas) n  SOs multiprogramáveis – Ambiente batch

l  Implementado no IBM OS/MFT

n  Partições l  Porções de memória de tamanho fixo l  Controla o grau de multiprogramação

n  Tamanho da partição estabelecido na fase de inicialização do sistema (boot)

n  SO mantém Fila de Entrada e Tabela de Partições



Tabela de Partições

Partição Tamanho 1 2 3

2KB 5KB 8KB

Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

2KB

5KB

8KB

E D C B A

3KB 5KB 1KB 6KB 7KB

Processos a serem carregados




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

-

-

-

E D C B A

3KB 5KB 1KB 6KB 7KB


Partição Tamanho ID 1 2 2 5 3 8




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

-

-

A – 7KB

E D C B

3KB 5KB 1KB 6KB


Partição Tamanho ID 1 2 2 5 3 8 A




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

C – 1 KB

-

A – 7KB

E D B

3KB 5KB 6KB


Partição Tamanho ID 1 2 C 2 5 3 8 A




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

C – 1 KB

D – 5 KB

A – 7KB

E B

3KB 6KB


Partição Tamanho ID 1 2 C 2 5 D 3 8 A




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

C – 1 KB

D – 5 KB

–

E B

3KB 6KB


Partição Tamanho ID 1 2 C 2 5 D 3 8




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

C – 1 KB

D – 5 KB

B – 6 KB

E

3KB


Partição Tamanho ID 1 2 C 2 5 D 3 8 B




Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

C – 10 KB

D – 50 KB

B – 60 KB

O processo C pode acessar o endereço físico 2050 (2K + 2)? Não, essa é uma área do SO. E o endereço 225850? Não, ele é da partição 3.

Partição Tamanho ID 1 20K C 2 50K D 3 80K B

0

150K

170K

220K

300K




Partição Base Limite Processo ID

Tamanho Processo

0 0K 124K SO 124K 1 124K 50K 2 174K 150K 3 324K 250K 4 574K 450K

SO

P1

10K

P2

40K

P3

70K

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K

Como alocar os processos na memória?





Tamanho Processo

0 0K 124K SO 1 124K 50K P1 10K 2 174K 150K 3 324K 250K 4 574K 450K

SO

P1

P2

40K

P3

70K

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K






Tamanho Processo

0 0K 124K SO 124K 1 124K 50K P1 10K 2 174K 150K P2 40K 3 324K 250K 4 574K 450K

SO

P1

P2

P3

70K

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K






Tamanho Processo

0 0K 124K SO 124K 1 124K 50K P1 10K 2 174K 150K P2 40K 3 324K 250K P3 70K 4 574K 450K

SO

P1

P2

P3

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K






Tamanho Processo

0 0K 124K SO 124K 1 124K 50K P1 10K 2 174K 150K P2 40K 3 324K 250K P3 70K 4 574K 450K P4 110K

SO

P1

P2

P3

P4

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K

Essa alocação otimiza o uso de memória? Por que?





Tamanho Processo


SO

P1

P2

P3

P4

Existe a alocação por ordem do escalonador e por escolha do gerenciador de memória.

P1

10K

P2

40K

P3

70K

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K





Tamanho Processo


SO

P2

P5

P6

P8

Alocação por escolha do gerenciador de memória. Menor desperdício.

P1

10K

P2

40K

P3

70K

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K



w Se o gerenciador de memória prioriza a melhor alocação da partição, o que acontecerá com processos muito pequenos, dado que na fila sempre existem maiores? n  Inanição

w Solução: n  1. Múltiplas Filas



SO

50K

150K

250K

450K

P1

10K

P2

40K

P3

70K

P4

110K

P5

130K

P6

180K

P7

260K

P8

300K

Qual o problema dessa abordagem? Quando P6 acabar, a partição ficará Ociosa. Pode ocorrer de uma partição ficar livre, enquanto outra tem muitos processos. Qual a solução?

è Fila única com Aging.



w Fila única com Aging n  Determina-se um contador de saltos Ki (Processo

i) e uma constante N n  Toda vez que uma partição ficar livre

l  Procura-se pelo processo que deixa o menor espaço desperdiçado

l  Se na fila, antes dele, houver um processo que caiba na mesma partição, Ki++ w  Se Ki = N, Pi deve ser executado, independente do tamanho

da partição



w Alocação Contígua n  Divisão da memória

l  SO residente w  Código e dados (tabela de vetores, buffers, etc)

l  Processos de usuários n  Proteção

l  Registrador de relocação: menor endereço l  Registrador de limite: maior deslocamento l  Cada processo tem seus valores (troca de contexto)



Tabela de Partições Memória Principal

Sistema Operacional

Partição 1

Partição 2

Partição 3

C – 10 KB

D – 50 KB

B – 60 KB

O processo C pode acessar o endereço real 2050? Não, essa é uma área do SO. E o endereço 225850? Não, é de outra partição.

Partição Tamanho Base Limite ID

1 20K 150K 20K C

2 50K 170K 50K D

3 80K 220K 80K B

0

150K

170K

220K

300K



CPU

Registrador de LIMITE (Tamanho da Partição)

Registrador de relocação (BASE) Memória

EL < LIMITE + endereço

lógico sim

não

endereço físico

exceção: erro de endereçamento



CPU

LIMITE 200K BASE

300K

5000 < 200K + EL = 5000

sim

não

5000 + 300K

exceção: erro de endereçamento

SO

P1

150K

300K

500K

Processo P1 è BASE = 300K e LIMITE = 200K



w Alocação Particionada Dinâmica n  (Partições Variáveis) n  Implementado no IBM OS/MVT n  Partições sem tamanho fixo pré-estabelecido n  SO mantém Fila de Entrada e Blocos Livres n  Estratégias de alocação n  Fragmentação



Memória Principal

Sistema Operacional

Processo B Processo C

Processo A

4 KB

3 KB

1 KB

Processo E

1 KB

2 KB

Memória Principal

Sistema Operacional

11 KB

A E C B 2 KB 3 KB 1 KB 4 KB


Estratégias de Alocação

n  Escolha do bloco que deve ser alocado ao processo n  Vários algoritmos possíveis

l  First-fit w  Aloca primeiro bloco suficientemente grande w  Não precisa pesquisar todos blocos

l  Best-fit w  Aloca o menor bloco suficientemente grande w  Precisa pesquisar todos blocos

§  Alternativa: ordenação dos blocos por tamanho w  Gera o menor bloco de memória restante


Estratégias de Alocação

l  Worst-fit w  Aloca o maior bloco w  Precisa pesquisar todos blocos

§  Alternativa: ordenação dos blocos por tamanho w  Gera o maior bloco de memória restante

n  Avaliação dos algoritmos por simulação l  First-fit e best-fit utilizam melhor a memória l  First-fit é mais rápida

Best Fit – Um exemplo

58

Processos Tamanho Turnaround Processo 1 100k 3 Processo 2 10k 1 Processo 3 35k 2 Processo 4 15k 1 Processo 5 23k 2 Processo 6 6k 1 Processo 7 25k 1 Processo 8 55k 2 Processo 9 88k 3 Processo 10 100k 3

Bloco Memória Tamanho

Bloco 1 50K Bloco 2 200K Bloco 3 70K Bloco 4 115K Bloco 5 15K

Bloco Memória Processo

Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 Bloco 4 Bloco 5

Tempo -1


59





Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5

Tempo 0

Alocado


60





Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5 Processo 2

Tempo 0

Alocado Alocado


61





Bloco 1 Processo 3 Bloco 2 Bloco 3 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5 Processo 2

Tempo 0

Alocado Alocado Alocado


62





Bloco 1 Processo 3 Bloco 2 Bloco 3 Processo 4 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5 Processo 2

Tempo 0

Alocado Alocado Alocado Alocado – 15K em 70K !


63





Bloco 1 Processo 3 Bloco 2 Processo 5 Bloco 3 Processo 4 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5 Processo 2

Tempo 0

Alocado Alocado Alocado Alocado Alocado – 23K em 200K !


64





Bloco 1 Processo 3 Bloco 2 Processo 5 Bloco 3 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5

Tempo 1

Alocado Concluído ! Alocado Concluído ! Alocado


65





Bloco 1 Processo 3 Bloco 2 Processo 5 Bloco 3 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5 Processo 6

Tempo 1

Alocado Concluído ! Alocado Concluído ! Alocado Alocado


66





Bloco 1 Processo 3 Bloco 2 Processo 5 Bloco 3 Processo 7 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5 Processo 6

Tempo 1

Alocado Concluído ! Alocado Concluído ! Alocado Alocado Alocado


67






Tempo 2

Alocado Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído !


68





Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 Processo 8 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5

Tempo 2


Alocado


69





Bloco 1 Bloco 2 Processo 9 Bloco 3 Processo 8 Bloco 4 Processo 1 Bloco 5

Tempo 2


Alocado Alocado


70





Bloco 1 Bloco 2 Processo 9 Bloco 3 Processo 8 Bloco 4 Bloco 5

Tempo 3

Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído ! Concluído !

Alocado Alocado


71





Bloco 1 Bloco 2 Processo 9 Bloco 3 Processo 8 Bloco 4 Processo 10 Bloco 5

Tempo 3


Alocado Alocado Alocado


72





Bloco 1 Bloco 2 Processo 9 Bloco 3 Bloco 4 Processo 10 Bloco 5

Tempo 4


Concluído ! Alocado Alocado


73






Tempo 5


Concluído ! Concluído ! Alocado


74





Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 Bloco 4 Bloco 5

Tempo 6


Concluído ! Concluído ! Concluído !


Alocação Contígua

w Fragmentação Externa n  Ocorre quando os programas terminam n  Não há espaço livre contíguo suficiente

Memória Principal

Sistema Operacional

Processo C

Processo A

4 KB

3 KB

1 KB

1 KB

2 KB

D 6 KB


Alocação Contígua

w Fragmentação Externa n  Soluções

l  Aguardar término de processos l  Desfragmentação

w  Reloca partições ocupadas para criar área livre única §  CONTÍGUA

w  Exige relocação dinâmica – em tempo de execução §  MGM traduzindo endereços

w  Overhead w  Implementado no IBM OS/MVT

l  Permitir alocação não contígua w  Paginação e segmentação


Swapping

w Programas ficavam na memória principal, mesmo se bloqueados, a espera de um evento (I/O);

w Solução encontrada: Swapping; n  Processos não ficam mais na memória o tempo

todo; n  Técnica para resolver problema de processos que

aguardam por espaço livre adequado.


Swapping

w Processo residente na memória é escolhido e levado para o disco (Swapped-Out), dando lugar a outro;

w Processo Swapped-Out retorna posteriormente à memória (Swapped-In), sem “perceber” o que ocorreu.


Swapping

programa B

programa A

programa E

programa A

programa G

Sistema Operacional

programa A

programa H

programa E

programa A

H

4kb B B

Swap In Swap Out

Sistema Operacional

Memória Principal Memória Principal


Swapping

w  Problema gerado pelo Swapping: n  Relocação dos programas

l  Se processos “saem e voltam” muitas vezes, tempo gasto com relocação é alto (overhead);

n  Solução l  Mecanismo de Relocação Dinâmica:

n  Quando ocorrer referência a algum endereço, o endereço da instrução será somado ao valor do registrador:

n  Endereço Real = Endereço Base da Partição + Deslocamento. n  Deslocamento = Endereço Referenciado no Processo


Swapping

w  Vantagens: n  Permite maior compartilhamento da memória;

n  Aumento no Throughput

w  Eficiente para sistemas com poucos usuários e pequenas aplicações;

w  Problema: n  custo do Swapping (in/out).


Swapping

w  Swap-out n  Processos são removidos temporariamente

w  Swap-in n  Processos precisam voltar para o mesmo espaço

l  Resolução de endereço em tempo de compilação ou carga

n  Processos não precisam voltar para o mesmo espaço l  Resolução de endereço em tempo de execução l  Endereços físicos recalculados na execução


Swapping

w Swap-out de processos com I/O pendente n  Acesso à área do processo

l  Pode gerar inconsistências

n  Soluções l  Não retirar processo com I/O pendente l  Sempre usar buffers do SO


Memória Virtual

w  Técnica de Gerenciamento de Memória w  Permite execução de processos que não estejam

totalmente na memória n  A parte sendo executada precisa estar em memória

w  Programas não precisam ser carregados totalmente na memória n  Rotinas de exceção n  Rotinas necessárias apenas na inicialização n  Matrizes e tabelas super-dimensionadas


Memória Virtual

n  Processos podem ser maiores que a memória física n  Economia permite execução de mais processos n  Implementação complexa n  Transparência para usuário e programador

l  Diferente da técnica de overlay n  Overhead de traduções e swap n  Implementações

l  Paginação sob demanda w  Referência a página fora da memória

l  Segmentação sob demanda w  OS/2 e Burroughs


Memória Virtual

Mapa da Memória

Memória Virtual

Página 0 Página 1 Página 2

.

.

. Página n

Memória Física

Memória Secundária


Paginação

w  Permite espaço de endereçamento não contíguo w  Memória física dividida em quadros (frames) w  Memória lógica dividida em páginas (pages) w  Quadros e páginas têm o mesmo tamanho

n  Normalmente entre 512 bytes e 16MB

w  Páginas dos processos podem ocupar qualquer quadro disponível


Paginação

n  Endereço lógico l  Número da página l  Deslocamento dentro da página (offset)

n  Tabela de página do processo l  Número da página serve como índice da tabela l  Associa páginas a quadros


Paginação

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