Gerenciamento de memória aula 10

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SISTEMAS 
OPERACIONAIS
Cleverson Lopes Ledur
Gerência de memória
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Definir a hierarquia de armazenamento de um computador.
 � Identificar os modos de gerenciamento de memória e suas 
características.
 � Reconhecer o funcionamento da memória virtual.
Introdução
Quando um processo é executado num computador, ele precisa de tempo 
de CPU, mas precisa também de memória. Quando os processos são 
executados, precisam ocupar espaço na memória para que o computador 
possa ler e carregá-los rapidamente. No entanto, em comparação com 
nossos discos rígidos, a memória volátil é pequena. Então, para nos dar 
mais memória do que temos fisicamente, usamos algo chamado memória 
virtual. Trata-se de uma combinação de espaço no disco rígido e na RAM, 
que funciona como a memória que os processos podem usar. Quando 
executamos um processo, pegamos os dados do programa em partes 
que chamamos de páginas. Armazenamos essas páginas na memória 
virtual. Se quisermos ler e executar essas páginas, elas devem ser enviadas 
para a memória física, ou RAM. 
Este é apenas um dos conceitos que temos sobre gerenciamento 
de memória em sistemas operacionais. É importante o conhecimento 
desses processos para entender como o sistema operacional realiza a 
abstração das complexidades. 
Neste capítulo, você vai conhecer outros conceitos sobre geren-
ciamento de memória e, ao final, vai definir a hierarquia de armazena-
mento de um computador; vai identificar os modos de gerenciamento 
de memória e suas características e vai reconhecer o funcionamento da 
memória virtual.
Hierarquia de armazenamento
A hierarquia de memória organiza o armazenamento do computador com 
base no tempo de resposta. Como o tempo de resposta está relacionado à 
complexidade e à capacidade, os níveis também podem ser diferenciados por 
suas tecnologias de desempenho e controle. A hierarquia de memória afeta 
o desempenho no projeto de arquitetura do computador, nas previsões de 
algoritmo e nas construções de programação de nível inferior, que envolvem 
a localidade de referência (TANENBAUM; BOS, 2014).
O design para alto desempenho requer considerar as restrições da hierarquia 
de memória, ou seja, o tamanho e os recursos de cada componente. Cada 
um dos vários componentes pode ser visto como parte de uma hierarquia de 
memórias (m1, m2, ..., mn) em que cada membro mi é tipicamente menor e 
mais rápido que o próximo maior membro mi + 1 da hierarquia. Para limitar 
a espera por níveis mais altos, um nível mais baixo responderá preenchendo 
um buffer e, em seguida, sinalizando para ativar a transferência.
Existem quatro níveis principais de armazenamento.
 � Interno — registradores e cache do processador.
 � Principal — a RAM do sistema e as placas controladoras.
 � Armazenamento em massa on-line — armazenamento secundário.
 � Armazenamento off-line — armazenamento terciário e off-line.
Essa é uma estruturação geral da hierarquia de memória. Muitas outras 
estruturas são úteis. Por exemplo, um algoritmo de paginação pode ser con-
siderado como um nível de memória virtual ao projetar uma arquitetura de 
computador e pode-se incluir um nível de armazenamento nearline entre o 
armazenamento on-line e off-line.
Veja na Figura 1 os níveis de armazenamento dentro de um sistema com-
putacional. Na parte superior, temos os registradores da CPU, seguidos pelos 
níveis de cache. Note que, quanto mais próximo da parte superior, temos o 
armazenamento que ocorre em tempo de processamento ou quase. Descendo, 
temos um distanciamento do processador, aparecendo a memória RAM e, após, 
os dispositivos de armazenamentos e as fontes de entrada/saída.
Gerência de memória2
Figura 1. Níveis de armazenamento no sistema operacional.
Fonte: Duarte (2012, documento on-line).
Áreas de
armazenamento
permanente
Áreas de
armazenamento
temporário
Teclado
ROM/
BIOS
Memória
física
Nível 2
Nível 1
Cache
Registra-
dores
da CPU
Memória
virtual
Discos
removíveis
Disco
rígido
Armaze-
namento
rede/ 
internet
Mouse
Mídia
removível
Fontes
remotas
Outras
fontes
Scanner/
câmera/
microfone/
vídeo
RAM
Tipos de dispositivos de armazenamento
Fontes de entrada
Modos de gerenciamento de memória
O gerenciamento de memória é a funcionalidade de um sistema operacional 
que manipula ou gerencia a memória principal e move os processos de um 
lado para outro, entre a memória principal e o disco durante a execução. O 
gerenciamento de memória monitora toda e qualquer localização de memória, 
independentemente de ela estar alocada a algum processo ou estar livre. Ele 
verifica quanta memória deve ser alocada para processos. Decide qual processo 
terá memória a que horas. Ele rastreia sempre que alguma memória é liberada 
ou não alocada e, correspondentemente, atualiza o status (TANENBAUM; 
BOS, 2014).
Espaço de endereço do processo
O espaço de endereço do processo é o conjunto de endereços lógicos a que um 
processo faz referência em seu código. Por exemplo, quando o endereçamento 
3Gerência de memória
de 32 bits está em uso, os endereços podem variar de 0 a 0x7fffffff; ou seja, 231 
números possíveis, para um tamanho teórico total de 2 gigabytes.
O sistema operacional cuida do mapeamento dos endereços lógicos para 
os endereços físicos no momento da alocação de memória para o programa. 
Existem três tipos de endereços usados em um programa, antes e depois da 
memória ser alocada
 � Endereços simbólicos — os endereços usados em um código-fonte. Os 
nomes das variáveis, constantes e rótulos de instrução são os elementos 
básicos do espaço de endereço simbólico.
 � Endereços relativos — no momento da compilação, um compilador 
converte endereços simbólicos em endereços relativos.
 � Endereços físicos — o carregador gera esses endereços no momento 
em que um programa é carregado na memória principal.
Endereços virtuais e físicos são os mesmos em tempo de compilação e 
esquemas de ligação de endereço de tempo de carregamento. Endereços virtuais 
e físicos diferem no esquema de vinculação de endereço de tempo de execução.
O conjunto de todos os endereços lógicos gerados por um programa é 
referido como um espaço de endereçamento lógico. O conjunto de todos os 
endereços físicos correspondentes a esses endereços lógicos é chamado de 
espaço de endereço físico. O mapeamento de tempo de execução do endereço 
virtual para o físico é feito pela unidade de gerenciamento de memória (MMU), 
que é um dispositivo de hardware. A MMU usa o mecanismo a seguir para 
converter o endereço virtual em endereço físico (TANENBAUM; BOS, 2014).
O valor no registro base é adicionado a cada endereço gerado por um 
processo do usuário, que é tratado como offset no momento em que é enviado 
para a memória. Por exemplo, se o valor do registro de base for 10000, uma 
tentativa do usuário de usar o local de endereço 100 será realocada dinamica-
mente para o local 10100. O programa do usuário lida com endereços virtuais; 
nunca vê os endereços físicos reais.
Carregamento estático versus dinâmico
A escolha entre carregamento estático ou dinâmico deve ser feita no momento 
em que o programa de computador está sendo desenvolvido. Se você tiver que 
carregar seu programa estaticamente, então, no momento da compilação, os 
programas completos serão compilados e vinculados sem deixar nenhum pro-
Gerência de memória4
grama externo ou dependência de módulo. O vinculador combina o programa 
objeto com outros módulos de objetos necessários em um programa absoluto, 
que também inclui endereços lógicos.
Se você estiver escrevendo um programa carregado dinamicamente, então 
seu compilador irá compilar o programa para todos os módulos que você 
deseja incluir dinamicamente. Apenas referências serão fornecidas e o resto 
do trabalho será feito no momento da execução.
No momento do carregamento, com carregamento estático, o programa 
absoluto (e dados) é carregado na memória para que a execução sejainiciada.
Se você estiver usando o carregamento dinâmico, as rotinas dinâmicas 
da biblioteca serão armazenadas em um disco no formato relocável e serão 
carregadas na memória somente quando forem necessárias ao programa.
Ligação estática versus dinâmica
Quando é usada a vinculação estática, o vinculador combina todos os outros 
módulos necessários a um programa em um único programa executável, para 
evitar qualquer dependência de tempo de execução.
Quando a vinculação dinâmica é usada, não é necessário vincular o módulo 
ou biblioteca real ao programa, mas uma referência ao módulo dinâmico é 
fornecida no momento da compilação e vinculação. Bibliotecas de vínculo 
dinâmico (DLL), no Windows, e objetos compartilhados, no Unix, são bons 
exemplos de bibliotecas dinâmicas.
Swapping
Swapping é um mecanismo em que um processo pode ser trocado temporaria-
mente da memória principal (ou movido) para o armazenamento secundário 
(disco) e disponibilizar essa memória para outros processos. Posteriormente, 
o sistema troca o processo do armazenamento secundário para a memória 
principal.
Embora o desempenho seja geralmente afetado pelo processo de troca, o 
swapping ajuda na execução de múltiplos e grandes processos em paralelo. 
Essa é a razão pela qual também é reconhecido como uma técnica de com-
pactação de memória.
O tempo total gasto pelo processo de troca inclui o tempo necessário 
para mover todo o processo para um disco secundário e depois para copiar 
o processo de volta à memória, bem como o tempo que o processo leva para 
recuperar a memória principal.
5Gerência de memória
Vamos supor que o processo do usuário seja de tamanho 5.120 Kb em um 
disco rígido padrão e a troca ocorra a uma taxa de transferência de dados em 
torno de 1 Mb por segundo. A transferência real do processo de 1.000 K da 
memória levará 5.120 Kb / 1.024 Kb por segundo;
= 5 segundos
= 5.000 milissegundos
Agora considerando o tempo de entrada e saída, ele levará 7.000 milisse-
gundos completos, além de outro overhead, em que o processo compete para 
recuperar a memória principal.
Alocação de memória
A memória principal geralmente tem duas partições:
 � Baixa memória — o sistema operacional reside nesta memória.
 � Alta memória — os processos do usuário são mantidos em alta memória.
O sistema operacional usa o seguinte mecanismo de alocação de memória:
 � Alocação de partição única — nesse tipo de alocação, o esquema de 
registro de relocação é usado para proteger os processos do usuário 
uns dos outros e de alterar o código e os dados do sistema operacional. 
O registro de realocação contém o valor do menor endereço físico, 
enquanto o registro de limite contém o intervalo de endereços lógicos. 
Cada endereço lógico deve ser menor que o registrador de limite.
 � Alocação de múltiplas partições — nesse tipo de alocação, a memória 
principal é dividida em várias partições de tamanho fixo, onde cada 
partição deve conter apenas um processo. Quando uma partição está 
livre, um processo é selecionado da fila de entrada e é carregado na 
partição livre. Quando o processo termina, a partição fica disponível 
para outro processo.
Conforme a Figura 2, temos basicamente dois tipos de alocação, a contígua 
e a não contígua. A alocação contígua consiste em armazenar um arquivo em 
blocos sequencialmente dispostos, permitindo ao sistema localizar um arquivo 
por meio do endereço do primeiro bloco e da sua extensão em blocos. Essa, 
então, é dividida em simples e particionada, podendo ser estática ou dinâmica. 
A alocação contígua realiza o uso ineficiente de memória (fragmentação interna 
Gerência de memória6
e externa) devido à exigência de que toda memória alocada a um processo 
deveria ser contínua. A solução é o uso de alocação não contígua, ou seja, 
utilizar sistemas de gestão de memória que permitam a alocação de memória 
física não contínua aos processos.
Figura 2. Tipos de alocação de memória.
Fragmentação
Como os processos são carregados e removidos da memória, o espaço de 
memória livre é dividido em pequenos pedaços. Às vezes, não se consegue 
alocar processos para blocos de memória, considerando seu tamanho pequeno, 
e os blocos de memória permanecem sem uso. Esse problema é conhecido 
como fragmentação. A fragmentação pode ser de dois tipos:
 � Fragmentação externa — o espaço total de memória é suficiente para 
satisfazer uma solicitação ou para residir em um processo, mas não é 
contíguo e, portanto, não pode ser usado. A fragmentação externa pode 
ser reduzida pela compactação ou pelo conteúdo da memória aleatória 
para colocar toda a memória livre em um único bloco grande. Para 
tornar a compactação viável, a realocação deve ser dinâmica.
 � Fragmentação interna — o bloco de memória atribuído ao processo é 
maior e alguma parte da memória é deixada sem uso, já que não pode 
ser usada por outro processo. A fragmentação interna pode ser reduzida 
atribuindo efetivamente a menor partição, mas grande o suficiente para 
o processo.
7Gerência de memória
Paginação
Um computador pode endereçar mais memória do que a quantidade fisicamente 
instalada no sistema. Essa memória extra é, na verdade, chamada de memória 
virtual e é uma seção de um disco rígido que é configurado para emular a 
RAM do computador. 
A técnica de paginação desempenha um papel importante na implementação 
da memória virtual. Paginação é uma técnica de gerenciamento de memória 
na qual o espaço de endereço do processo é dividido em blocos do mesmo 
tamanho, chamados de páginas (o tamanho é a potência de 2, entre 512 bytes 
e 8192 bytes). O tamanho do processo é medido no número de páginas.
Da mesma forma, a memória principal é dividida em pequenos blocos 
de tamanho fixo de memória (física) chamados quadros. O tamanho de um 
quadro é mantido o mesmo que o de uma página para otimizar a utilização da 
memória principal e evitar fragmentação externa. Quando o sistema aloca um 
quadro a qualquer página, ele converte esse endereço lógico em um endereço 
físico e cria uma entrada na tabela de páginas, a ser usada durante a execução 
do programa.
Quando um processo deve ser executado, suas páginas correspondentes 
são carregadas em qualquer quadro de memória disponível. Suponha que você 
tenha um programa de 8 Kb, mas sua memória pode acomodar apenas 5 Kb 
em um determinado ponto no tempo. Então, o conceito de paginação entrará 
em cena. Quando um computador fica sem RAM, o sistema operacional mo-
verá páginas de memória ociosas ou indesejadas para a memória secundária, 
liberando memória RAM para outros processos e trazendo de volta quando 
necessário ao programa.
Este processo continua durante toda a execução do programa, onde o 
sistema operacional continua removendo as páginas ociosas da memória 
principal, as grava na memória secundária e as traz de volta quando requerido 
pelo programa.
A paginação reduz a fragmentação externa, mas ainda sofre com a frag-
mentação interna. Ela também é simples de implementar e reconhecida como 
uma técnica eficiente de gerenciamento de memória. Devido ao tamanho igual 
das páginas e frames, a troca torna-se muito fácil. No entanto, a tabela de 
páginas requer espaço extra na memória. Portanto, pode não ser boa solução 
para um sistema com pouca memória RAM.
Gerência de memória8
Segmentação
A segmentação é uma técnica de gerenciamento de memória na qual cada 
tarefa é dividida em vários segmentos de tamanhos diferentes, um para cada 
módulo que contém partes que executam funções relacionadas. Na verdade, 
cada segmento é um espaço de endereço lógico diferente no programa.
Quando um processo deve ser executado, a correspondente segmentação 
é carregada na memória não contígua, embora cada segmento seja carregado 
em um bloco contíguo de memória disponível. O gerenciamento de memória 
de segmentação funciona de maneira muito semelhante à paginação, mas 
aqui os segmentos são de comprimento variável, ao passo que, na paginação, 
são de tamanho fixo.
Um segmento de programa contém a funçãoprincipal do programa, funções 
de utilitário, estruturas de dados e assim por diante. O sistema operacional 
mantém uma tabela de mapa de segmento para cada processo e uma lista de 
blocos de memória livre junto com números de segmento, seu tamanho e 
localizações de memória correspondentes na memória principal. Para cada 
segmento, a tabela armazena o endereço inicial do segmento e o comprimento 
do segmento. Uma referência a um local da memória inclui um valor que 
identifica um segmento e um deslocamento.
Memória virtual
A memória virtual (virtual storage) é uma técnica de gerenciamento de memória 
que fornece uma “abstração idealizada dos recursos de armazenamento que 
estão realmente disponíveis em uma determinada máquina” que “cria a ilusão, 
para os usuários, de uma memória muito grande (principal)”.
Usando uma combinação de hardware e software, o sistema operacional 
do computador mapeia endereços de memória usados por um programa, cha-
mados endereços virtuais, em endereços físicos na memória do computador. O 
armazenamento principal, conforme visto por um processo ou tarefa, aparece 
como um espaço de endereço contíguo ou uma coleção de segmentos contíguos. 
O sistema operacional gerencia espaços de endereço virtual e a atribuição 
de memória real à memória virtual. O hardware de tradução de endereços 
na CPU, geralmente chamado de unidade de gerenciamento de memória ou 
MMU, converte automaticamente os endereços virtuais em endereços físicos. 
O software dentro do sistema operacional pode estender esses recursos para 
fornecer um espaço de endereço virtual que pode exceder a capacidade da 
9Gerência de memória
memória real e, portanto, fazer referência a mais memória do que a que está 
fisicamente presente no computador.
Os principais benefícios da memória virtual incluem liberar os aplicativos 
de ter que gerenciar um espaço de memória compartilhada, aumentar a segu-
rança devido ao isolamento de memória e ser capaz de conceitualmente usar 
mais memória do que pode estar fisicamente disponível se usada a técnica 
de paginação.
Implementação da memória virtual
Sabemos que a memória virtual é uma técnica implementada usando hardware 
e software. Ela mapeia endereços de memória usados por um programa, cha-
mados endereços virtuais, em endereços físicos na memória do computador.
Todas as referências de memória dentro de um processo são endereços 
lógicos, que são traduzidos dinamicamente em endereços físicos em tempo de 
execução. Isso significa que um processo pode ser trocado para dentro e para 
fora da memória principal, de modo que ocupe lugares diferentes na memória 
principal em momentos diferentes durante o curso da execução.
Um processo pode ser dividido em várias partes e essas peças não precisam 
estar continuamente localizadas na memória principal durante a execução. A 
combinação de conversão de endereços de tempo de execução dinâmica e o 
uso de tabela de páginas ou segmentos permite isso.
Se essas características estiverem presentes, não é necessário que todas 
as páginas ou segmentos estejam presentes na memória principal durante a 
execução. Isso significa que as páginas necessárias precisam ser carregadas na 
memória sempre que requeridas. A memória virtual é implementada usando 
paginação por demanda ou segmentação por demanda.
 � Paginação por demanda — o processo de carregar a página na memória 
sempre que ocorrer uma falha de página é conhecido como paginação 
por demanda. Se a CPU tentar referenciar uma página que não está 
atualmente disponível na memória principal, ela gerará uma interrupção, 
indicando a falha de acesso à memória. O sistema operacional coloca o 
processo interrompido em um estado de bloqueio. Para que a execução 
prossiga, o sistema operacional deve trazer a página necessária para 
a memória e ele irá procurá-la no espaço de endereço lógico. Então, 
a página necessária será trazida, do espaço de endereço lógico para o 
espaço de endereço físico. Os algoritmos de substituição de página são 
Gerência de memória10
usados para a tomada de decisão de substituir a página no espaço de 
endereço físico. Ao fim, a tabela de páginas será atualizada de acordo e 
o sinal será enviado para a CPU, para continuar a execução do programa, 
e colocará o processo de volta ao estado pronto.
 � Tempo de serviço de falha de página — o tempo gasto para atender a 
falha de página é chamado de tempo de serviço de falha de página. O 
tempo de serviço de falha de página inclui o tempo gasto para executar 
todas as seis etapas acima.
Algoritmos de substituição de páginas
Em sistemas operacionais que usam paginação para gerenciamento de me-
mória, o algoritmo de substituição de página é necessário para decidir qual 
página precisa ser substituída quando uma nova página chegar. Sempre que 
uma nova página é referenciada e não está presente na memória, ocorre falha 
de página e o sistema operacional substitui uma das páginas existentes pela 
página recém-necessária. 
Diferentes algoritmos de substituição de página sugerem diferentes manei-
ras de decidir qual página substituir. O alvo de todos os algoritmos é reduzir 
o número de falhas de página.
 � First-in-first-out (FIFO) — com o algoritmo FIFO, o sistema operacio-
nal mantém uma fila para rastrear todas as páginas na memória, com a 
chegada mais recente na parte de trás (cauda da fila) e a chegada mais 
antiga na frente (cabeça da fila). Quando o sistema precisa de espaço, 
uma página será substituída. Com o FIFO, a página na frente da fila (a 
página mais antiga) é selecionada para substituição. No entanto, FIFO 
é conhecido por sofrer de um problema conhecido como anomalia 
de Belady, que ocorre quando o aumento do número de quadros de 
página resulta em um aumento no número de falhas de página para 
um determinado padrão de acesso à memória.
 � Menos recentemente usado (LRU) — o algoritmo de substituição 
de páginas LRU controla o uso de páginas em uma janela de tempo 
definida. Quando é hora de substituir uma página, ela substitui a página 
menos usada recentemente.
 � Substituição ideal da página — nesse algoritmo, as páginas são subs-
tituídas pelo critério do que não seria usado durante o maior período 
de tempo no futuro.
11Gerência de memória
No Linux (Ubuntu), você consegue verificar como está o uso de memória do compu-
tador por meio do System Monitor (Figura 3).
Figura 3. System Monitor.
Note os indicadores do meio da tela, onde temos as informações Memory and Swap 
History. Trata-se de como está o consumo de memória RAM e também do uso do swap. 
Nesta imagem, você pode verificar que, dos 7.4 GiB disponíveis, estamos utilizando 
6.8 GiB. Como o uso da memória está quase no limite, o sistema operacional gerencia 
a troca (swapping) de alguns itens para a partição swap. No caso desse computador, 
temos uma partição de 22 GiB reservada para swapping. Logo, o sistema operacional 
já moveu alguns itens, totalizando 8,7 GiB de uso no swap.
Gerência de memória12
DURTE, D. O que é memória virtual. Pura Info, 22 nov. 2012. Disponível em: <https://
www.purainfo.com.br/artigos/o-que-e-memoria-virtual/>. Acesso em: 9 dez. 2018.
TANENBAUM, A. S.; BOS, H. Modern operating system. London: Pearson Education, 2014.
Leituras recomendadas
ARPACI-DUSSEAU, R. H.; ARPACI-DUSSEAU, A. C. Operating systems: three easy pieces. 
Dusseau Books, 2014.
GERALDI, L. M. A. Elucidando os sistemas operacionais: um estudo sobre seus conceitos. 
Clube de Autores, 2009.
SILBERSCHATZ, A.; GALVIN, P. B.; GAGNE, G. Operating system concepts. New Jersey: 
Wiley, 2013.
SILBERSCHATZ, A.; GALVIN, P. B.; GAGNE, G. Sistemas operacionais com Java. 7. ed. São 
Paulo: Elsevier Brasil, 2008.
TANENBAUM, A. S. Sistemas operacionais modernos. São Paulo: Pearson Education do 
Brasil, 2009.
13Gerência de memória
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