Sistemas Operacionais Gerenciamento de Memória

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Sistemas Operacionais Capítulo 9 Gerência de Memória 
9 – Gerência de Memória 
9.1 – Introdução 
 Na memória principal residem os programas em execução.  Memória secundária são mecanismos de armazenamento permanente, são mais abundantes e baratas.  Para um programa ser executado deve ser carregado na memória principal.  Gerenciamento complexo em sistemas multiprogramáveis com múltiplos usuários utilizando-a eficientemente. 
 9.2 – Alocação Contígua Simples 
 Implementada nos primeiros Sistemas Operacionais e ainda existentes em alguns sistemas monoprogramáveis.  Memória dividida em duas partes, Sistema Operacional e programa do usuário.  O programador tem controle sobre toda a memória principal, podendo acessar qualquer posição da memória, inclusive onde está residente o Sistema Operacional.  Um mecanismo de proteção utilizado é delimitar a área do Sistema Operacional que delimita a área do mesmo.  Fácil implementação e código reduzido, porém Ineficiência no uso do processador e da memória pois apenas um usuário pode dispor desse recurso.  Programas limitados ao tamanho da memória disponível.  Overlay (sobreposição) – Solução encontrada para dividir o programa em partes (módulos), de forma que pudessem executar independentemente uma da outra, utilizando uma mesma área de memória.  A definição das áreas de Overlay são de responsabilidade do programador através de comandos específicos da linguagem utilizada. 
 9.3 – Alocação Particionada 
 A eficiência da multiprogramação exige que vários programas estejam na memória ao mesmo tempo, vindo a necessidade de organização da memória. 
 9.3.1 – Alocação Particionada Estática: 
 Divisão da memória em tamanhos fixos (partições) definidos na inicialização do Sistema em função dos programas que executariam no ambiente.  A alteração do tamanho de uma partição necessita a inicialização do Sistema Operacional.  Os programas só podiam executar em uma das partições, mesmo com outras disponíveis. 
 Limitações impostas pelos compiladores e montadores que geravam apenas códigos absolutos.  Posteriormente, evolução dos compiladores, linkers e loaders com geração de código realocável, sendo que os programas puderam ser carregados em qualquer partição (alocação particionada estática realocável).  Surgimento da tabela de partições com informações de tamanho, uso e delimitações.  Proteção da memória através de dois registradores, início e fim da partição.  Os programas não preenchiam totalmente as partições onde eram carregados.  Problemas de fragmentação. 
 9.3.2 – Alocação Particionada Dinâmica 
 Aumento do grau de compartilhamento diminuindo o problema da fragmentação.  Partições sem tamanho fixo, onde cada programa utiliza o espaço que necessita.  Existe ainda o problema de fragmentação, conforme os programas vão terminando e deixando espaços cada vez menores.  Soluções para resolver o problema de fragmentação: 
o Primeira – Reunir os espaços adjacentes, produzindo um único espaço de tamanho maior. 
o Segunda – Realocação de todas as partições ocupadas, eliminando todos os espaços entre elas (alocação dinâmica com realocação), porém, aumentando a complexibilidade do algoritmo e consumindo mais recursos do sistema. 
 9.3.3 – Estratégias para Escolha da Partição 
 Função para determinar em qual partição livre um programa será carregado para execução.  Função de evitar, ou diminuir, o problema da fragmentação antes que ele ocorra.  O tamanho do programa é o fator mais importante para a adoção da melhor estratégia.  Best-fit: 
o Escolhe a melhor partição, ou seja, aquela que o programa deixa o menor espaço sem utilização. 
o Lista de áreas livres alocada por tamanho, diminuindo o tempo de busca 
o Desvantagem de deixar pequenas áreas não contíguas, aumentando o problema da fragmentação.  Worst-fit: 
o Escolhe a pior partição, ou seja, aquela que o programa deixa o maior espaço sem utilização. 
o Diminui o problema de fragmentação, deixando espaços livres maiores que permitem a um maior número de programas utilizar a memória.  First-fit: 
o Escolhe a primeira partição livre de tamanho suficiente para carregar o programa 
o Lista de áreas livres ordenada por endereços crescentemente. 
o Grande chance de se obter uma grande partição livre nos endereços de memórias mais altos. 
o Mais rápida e consome menos recursos do sistema. 
 9.4 – Swapping 
 Tenta resolver o problema de insuficiência da memória para todos os usuários.  Aloca espaço para programas que esperam por memória livre para serem processados.  O sistema escolhe um programa residente, que é levado da memória para o disco (swap out), retornando posteriormente para a memória principal (swap in) como se nada tivesse ocorrido.  Problema da realocação dos programas. O loader realocável permite que um programa seja colocado em qualquer posição da memória, porém a realocação é realizada no momento do carregamento.  Mecanismo ineficiente em função do tempo gasto para carregamento.  Uma alternativa é esperar que a região de memória usada pelo programa na ocasião do seu primeiro carregamento esteja disponível.  Realocação Dinâmica: 
o É a melhor solução, uma implementação no hardware dos computadores, permitindo que a realocação seja realizada durante a execução do programa. 
o Realizada através de um registrador especial denomidado registrador de alocação, que recebe o endereço inicial da região da memória que o programa irá ocupar no momento do carregamento do programa na memória. 
o Toda vez que ocorrer uma referência a algum endereço, o endereço contido na instrução será somado ao conteúdo do registrador, gerando assim, o endereço físico.  Essencial para a implementação de um sistema multiprogramável.  Permitiu um maior throughput através de um maior compartilhamento da memória.  Mais eficiente para programas onde existiam poucos usuários competindo por memória e em ambientes que trabalhavam com aplicações pequenas.  Seu maior problema é o elevado custo das operações de entrada/saída (swapped in/out). 
9.5 – Memória Virtual 
 Combina memória principal e secundária;  Impressão da memória ser muito maior do que é;  Desvinculação do endereçamento feito pelo programa dos endereços físicos da memória principal;  Procura minimizar o problema de fragmentação da memória. 
 9.4.1 – Espaço de Endereçamento Virtual 
 Conceito próximo a vetores em linguagens de alto nível;  Referência a um componente do vetor sem preocupação com a posição da memória onde o dado está;  Programa no ambiente de memória virtual não faz referência a endereços físicos de memória (endereços reais), mas apenas a endereços virtuais;  Mapeamento – é a tradução do endereço virtual para o físico;  Espaço de endereçamento virtual – é o conjunto de endereços virtuais que os processos podem endereçar. 
 Espaço de endereçamento real – é o conjunto de endereços reais.  Apenas parte do programa pode estar residente na memória em um determinado instante;  O Sistema Operacional utiliza a memória secundária como uma extensão da memória principal. 
 9.5.2 – Mapeamento 
 Mecanismo que transforma os endereços virtuais em endereços reais;  Todo programa precisa estar no espaços de endereçamento real para poder ser referenciado ou executado;  Atualmente, o mapeamento é realizado via hardware junto com o Sistema Operacional, de forma a não comprometer seu desempenho e torná-lo transparente aos usuários e suas aplicações;  A maioria das aplicações tende a fazer referência a um reduzido número de páginas, logo, somente uma pequena fração da tabela de páginas é necessária.  Memória associativa ou Translation Lookside Buffer – Hardware especial para mapear endereços virtuais para endereços físicos sem a necessidade de acesso à tabelas de páginas;  Quando um programa está em execução, existe uma tabela de mapeamento do processo no qual o programa executa. Se outro programa for executado no contexto de outro processo, o sistema deve passara referenciar a tabela do novo processo. Toda vez que há mudança de contexto, o registrador é atualizado com o endereço da nova tabela. 
 9.5.3 – Paginação 
 Técnica de gerência de memória onde o espaço de endereçamento virtual e o espaço de endereçamento real são divididos em blocos do mesmo tamanho (páginas);  Páginas virtuais no espaço virtual e páginas reais ou frames (molduras) no espaço real;  Todo mapeamento é realizado a nível de página, através de tabelas de páginas, em que cada página virtual do processo possui uma entrada na tabela ETP;  Paginação por demanda é quando as páginas dos processos são transferidas da memória secundária para a principal apenas quando são referenciadas.  Paginação Antecipada é o carregamento de páginas na memória antecipadamente, sendo que o sistema tenta prever as páginas que serão necessárias à execução do programa.  ALGORÍTMO DA PAGINAÇÃO. 
 9.5.3.1 – Working Set 
 Problemas: 
o Paginação exigem operações de E/S (que deve ser evitado) quando um processo faz referência a uma página que não se encontra na memória; 
o O Sistema Operacional deve se preocupar em ter um certo número de páginas na memória que reduza ao máximo a taxa de paginação 
dos processos e não prejudique os demais processos que desejam acesso a memória.  Observações: 
o Quando um programa começa a ser executado, percebe-se uma elevada taxa de page faults (páginas que não se encontram na memória), que se estabiliza com o decorrer de sua execução. 
o Localidade é a tendência que existe em um programa de fazer referências a posições de memória de forma quase uniforme, ou seja, instruções próximas. 
o A partir da observação da localidade Denning formulou o modelo de working set.  Working Set de um processo é o conjunto de páginas referenciadas por ele durante determinado intervalo de tempo, ou, segundo Denning, é o conjunto de páginas constantemente referenciadas pelo processo, devendo permanecer na memória principal para que execute de forma eficiente, evitando a elevada taxa de paginação (thrashing).  Sempre que um processo é criado, todas as suas páginas estão na memória secundária.  O Working Set deve Ter um limite máximo de páginas permitidas. 
 9.5.3.2 – Realocação de Páginas 
 Problema em decidir quais páginas remover da memória principal.  O Sistema Operacional deve considerar se uma página foi ou não modificada antes de liberá-la para outro processo, caso contrário, possíveis dados armazenados na página serão perdidos.  Sempre que uma página é alterada, um bit de modificação é alterado de 0 para 1, informando que a página foi alterada.  Melhor estratégia de realocação é escolher uma página que não será referenciada num futuro próximo. Tarefa difícil para o Sistema Operacional.  Principais estratégias usadas pelos sistemas operacionais para realocação de páginas: 
o Aleatória (random):  Não utiliza nenhum critério de seleção.  Consome menos recursos do sistema.  Raramente é utilizada. 
o First-In-First-Out (FIFO):  A página que primeiro foi utilizada será a primeira a ser escolhida.  Implementação bastante simples.  Necessário apenas uma fila. 
o Least-Recently-Used (LRU):  Seleciona a página utilizada menos recentemente, ou seja, a que está há mais tempo sem ser referenciada.  Estratégia boa, mas pouco implementada;  Grande overhead causado pela atualização, em cada página referenciada, do momento do último acesso, além do algoritmo de busca dessas páginas. 
o Not-Recently-Used (NRU):  Escolha da página que não foi recentemente utilizada (semelhante ao LRU).  Flag de referência – indica quando a página foi referenciada ou não.  Inicialmente, todas as páginas estão com o flag = 0, à medida que as páginas são referenciadas, o flag é modificado para 1. 
o Last-Frequently-Used (LFU):  Escolhe a página menos referenciada.  Existe um controle do número de referências feitas às páginas.  É escolhida a página que o contador tem o menor número de referências.  Problema – As páginas que entrarem mais recentemente no working set serão as que estarão com o menor número no contador. 
 9.5.3.3 – Tamanho da Página 
 Paginação leva a uma menor fragmentação, pois apenas poderá haver fragmentação na última página.  A fragmentação é conseqüência do tamanho da página.  Páginas pequenas, tabelas de mapeamento maiores, maior taxa de paginação e aumento do número de acesso à memória secundária, porém, menor fragmentação.  Tamanho da página associado ao hardware e varia de sistema para sistema, norlamente entre 512 bytes e 64 kb. 
 9.5.4 – Segmentação 
 Técnica de gerência de memória, onde os programas são divididos logicamente e em sub-rotinas e estruturas de dados e colocados em blocos de informações na memória  Segmentos – blocos de tamanhos diferentes com seu próprio espaço de endereçamento.  Segmentação X Paginação – Paginação com partes de tamanho fixo e segmentos com blocos de tamanhos variados e permite uma relação entre a lógica do programa e sua divisão na memória.  Cada entrada na tabela de segmentos possuí o endereço do segmento na memória física, informações sobre o tamanho do segmento, sua proteção e se ele está na memória ou não.  O Sistema Operacional mantém uma tabela com as áreas livres e ocupadas da memória.  A escolha da área livre a ser ocupada por um processo a ser carregado na memória pode ser a mesma utilizada no item Alocação Particionada Dinâmica (best-fit, worst-fit ou first-fit).  Apenas os segmentos referenciados são transferidos para a memória real.  Os programas devem ser bem modularizados para uma maior eficiência.  Existe também o problema da fragmentação e o problema da complexibilidade. 
 9.5.5 – Segmentação com Paginação 
 Permite a divisão lógica dos programas e segmentos e, cada segmento é dividido fisicamente em páginas.  Um endereço é formado pelo número do segmento, pelo número de página, contida nesse segmento, e pelo deslocamento dentro dessa página.  O endereço físico é obtido somando-se a posição inicial do frame e o deslocamento. 
 9.5.6 – Proteção 
 Necessária para impedir que um processo, ao acessar uma página/segmento do sistema, a modifique ou mesmo tenha acesso a ela.  No esquema de memória virtual, cada processo tem sua própria tabela de mapeamento e a tradução dos endereços é realizada pelo sistema, impedindo assim, que um processo tenha acesso a áreas de memória de outros processos, a não ser que tenham compartilhamento explícito.  A proteção deve ser realizada em nível de cada página/segmento na memória, utilizando-se as entradas da tabela de mapeamento, com alguns bits especificando permissões a cada uma das páginas/segmentos. 
 9.5.7 – Compartilhamento de Memória 
 Bastante útil para programas de código reentrante.  Bastante simples implementação do compartilhamento de código e dados entre vários processos, bastando que as entradas das tabelas de páginas/segmentos apontem para as mesmas páginas/segmentos na memória principal.  Reduz o número de programas na memória principal e aumenta o número de usuários compartilhando o mesmo recurso.  Segmentação X Paginação em relação ao compartilhamento: 
o O compartilhamento de segmentos é mais simples que o de páginas, pois as tabelas de segmentos mapeiam estruturas lógicas, como sub-rotinas e estruturas de dados. 
o Enquanto o mapeamento de um vetor necessita de várias entradas na tabela de páginas, na tabela de segmentos é necessária apenas uma única entrada. 
o O segmento pode variar seu tamanho durante a execução com o crescimento de um vetor, por exemplo, na paginação, isso implica na alocação de novas páginas. 
 9.5.8 – Swapping em Memória Virtual 
 Quando existem novos processos que desejam ser processados e não existe memória real suficiente, o sistema seleciona um ou mais processos que deverão sair da memória para ceder espaço aos novos processos.  Os critérios mais utilizados para a escolha são a prioridade, escolhendo processos de melhor prioridade, eo estado do processo, selecionando os processos que estão no estado de espera. 
 9.5.9 – Thrashing 
 É a excessiva transferência de páginas/segmentos entre a memória principal e a memória secundária. Problema existente tanto em paginação quanto a segmentação.  Na paginação: 
o A nível de processo:  o working set de um processo pode ser pequeno demais para acomodar as páginas constantemente acomodadas referenciadas por ele, a solução é aumentar o tamanho do working set. 
 O thrashing também pode ocorrer pela não obediência do conceito da localidade, ou seja, o programa faz referência a comandos/dados localizados em páginas fora do working set do processo e a solução para isso é reescrever a aplicação. 
o A nível de sistema:  o trashing ocorre quando existem mais processos competindo por memória que espaço disponível.  O primeiro passo é a redução do tamanho dos working set dos processos, mas isso pode levar o thrashing a nível de processo.  Na segmentação: 
o Em nível de processo, quando a trasferência de segmentos é excessiva devido a modularização extrema do programa não seguindo o conceito da modularidade. 
o Em nível de sistema é semelhante ao caso da paginação.  Em qualquer caso, se existem mais processos para serem executados que a memória real disponível, a única solução é expandir a memória principal.  Este problema ocorre em todos os sistemas que possuem um mecanismo de gerência de memória.