Gerência de Memória Virtual

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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.

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.

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 passar a referenciar a tabela do novo processo. Toda vez que há mudança de contexto, o registrador é atualizado com o endereço da nova tabela.

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.

Working Set

• Problemas:
  • 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 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:
  • 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.
  • Localidade é a tendência que existe em um programa de fazer referências a posições de memória de forma quase uniforme, ou seja, instruções próximas.
  • 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.

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:
  • Aleatória (random):
    • Não utiliza nenhum critério de seleção.
    • Consome menos recursos do sistema.
    • Raramente é utilizada.
  • First-In-First-Out (FIFO):
    • A página que primeiro foi utilizada será a primeira a ser escolhida.
    • Implementação bastante simples.
    • Necessário apenas uma fila.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

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.

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.

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.

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.

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 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.
  • 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 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.

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, e o estado do processo, selecionando os processos que estão no estado de espera.

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:
  • 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.
  • 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:
  • Em nível de processo, quando a trasferência de segmentos é excessiva devido a modularização extrema do programa não seguindo o conceito da modularidade.
  • 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.

Lista de Exercícios

Formulário

1. Descreva com suas próprias palavras a Memória Virtual.
2. O que é o espaço de endereçamento virtual?
3. O que é e como funciona o mapeamento em relação a memória virtual?
4. Descreva a paginação em relação a memória virtual?
5. Faça um algoritmo de paginação.
6. O que é o Working set e a partir de que isto surgiu?
7. O que é e como funciona a realocação de páginas em relação a memória virtual?
8. Cite e descreva as principais estratégias usadas pelos sistemas operacionais para realocação de páginas.
9. Qual a relação entre o tamanho das páginas e a fragmentação?
10. Descreva a segmentação em relação a memória virtual.
11. Como podem ser usadas a paginação e a segmentação juntas, descreva o algoritmo para o acesso aos endereços usando-as juntas.
12. Comente sobre a Proteção em relação à memória virtual.
13. Como funciona o compartilhamento em relação a memória virtual e quais as diferenças entre a segmentação e a paginação em relação ao compartilhamento.
14. Como funciona o Swapping da memória virtual?
15. Quais os problemas de trashing, o que é e quais suas possíveis soluções?