Sistemas Operacionais

(1)

Instituto de Informática

-U

FRGS

Sistemas Operacionais

Gerência de Memória

Alocação Particionada

Aula 18

_Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 2 A. C arissimi -11-no v.-1 9

Introdução



Memória é um recurso limitado

 Um programa (processo) para ser executado deve estar na memória



Necessidades do gerenciamento de memória

 Racionalizar a ocupação da memória (alocação de memória)  Determinação das áreas livres e ocupadas



A alocação de memória depende:

 Amarração de endereços é estática ou dinâmica?  Necessidade do espaço físico ser contíguo ou não?  Processo caber ou não na memória?

 Grau de multiprogramação efetiva* desejada

* Número de processos no escalonador de curto prazo!

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Mecanismos para alocação de memória



Estratégias para alocar memória para processos



Supor, por enquanto, que o espaço lógico é sempre menor que o

espaço físico (processo cabe na memória)

 A memória virtual retirará esse restrição (chegaremos lá!!)

Sistemas Operacionais 3 A. C arissimi -11-no v.-1 9 Paginação Segmentação

Segmentação com paginação Simples Particionada Contígua Não contígua Alocação Estática Dinâmica Instituto d e Informática -UFRGS

Dimensionando espaço para um processo



Processo possui quatro segmentos (regiões)

 Código, dados, pilha e heap (monte)



Os segmentos de código e dados são dimensionados com base em

informações do próprio executável



Segmento de pilha e heap são pré-reservados

 Para a pilha é feita uma pré-alocação dentro da área pré-reservada  O heap é a “sobra” entre o tamanho total de processo menos a área de

código, dados e pilha.

Sistemas Operacionais 4 A. C arissimi -11-no v.-1 9 código dados Pilha 0 n-1 heap n bytes Do arquivo executável

(2)

Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 5 A. C arissimi -11-no v.-1 9

Alocação contígua simples



Sistema primitivo



Memória principal é dividida em duas partições:

 Sistema operacional (parte baixa ou alta da memória)  Processo do usuário (restante da memória)



Usuário tem controle total da memória podendo

inclusive acessar a área do sistema operacional

 e.g. DOS (não confiável)



Evolução:

 Inserir proteção através de mecanismos de hardware  Registradores de base e de limite

 Memory Management Unit (MMU)

SisOp 0 N-1 RAM Monotarefa (MS-DOS) Contígua simples (uma partição) Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 6 A. C arissimi -11-no v.-1 9

Alocação contígua particionada



Extensão natural do sistema de duas partições

 Definição de múltiplas partições



Necessidade imposta pela multiprogramação



Filosofia:

 Dividir a memória em blocos (partições)

 Cada partição pode receber um processo (programa em execução)



Duas formas básicas:

 Alocação contígua com partições fixa (estática)

 Podem ser com o mesmo tamanho ou diferentes tamanho  Alocação contígua com partições variáveis (dinâmica)

 Alocação é por demanda

Instituto

de Informática

-UFRGS

Alocação contigua particionada fixa (estática)

A. C arissimi -11-no v.-1 9 SisOp 0 N-1 RAM p _M SisOp 0 N-1 RAM p_i M pk Multitarefa n partições = M/p Multitarefa x partições

1 tarefa (processo) por partição

...

Tamanhos idênticos Tamanhos diferentes Instituto d e Informática -UFRGS A. C arissimi -11-no v.-1 9

Questões sobre alocação contígua particionada fixa



Processos podem ser carregados em qualquer partição?

 Depende se código é absoluto ou relocável e do tipo de amarração



Número de processos que podem estar em execução ao mesmo tempo

 Grau de multiprogramação efetiva é limitado pelo número de partições



Programa é maior que o tamanho da partição

 Não executa a menos que se empregue um esquema de overlay

A

B C

D E

Interpretação:

- Módulo A e B devem estar em memória OU - Módulo A e C devem estar em memória

(3)

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Gerenciamento da memória com partições estáticas



Necessário

 Definir quais partições estão livres e ocupadas (ex. bitmap)



Possíveis estratégias para alocação de processos

 Fila por partição

 Processos vão para uma determinada partição (desde que caibam nela)  Efeito colateral: partições com filas de espera enquanto há outras vazias  Fila única para todas as partições

 Processo pode ir para qualquer partição desde que caiba nessa partição

Sistemas Operacionais 9 A. C arissimi -11-no v.-1 9 Instituto d e Informática -UFRGS

Problemas com alocação particionada estática



Maior processo possível é limitado pelo tamanho da maior partição



Unidade de alocação é a partição

 Processo menor que a partição leva a desperdício  Fragmentação interna Sistemas Operacionais 10 A. C arissimi -11-no v.-1 9

Alocação por demanda, isso é, variável !!

Solução:

_SisOp

0

N-1 RAM



Quantidade de partições limita grau de

multiprogramação efetiva

 Processos no escalonador de curto prazo devem estar na memória Fragmentação interna p p p Instituto d e Informática -UFRGS

Alocação contígua particionada dinâmica (variável)



Não há pré-particionamento da memória

 Aloca por demanda, libera quando processo termina  Soluciona o problema de fragmentação interna

Sistemas Operacionais 11 A. C arissimi -11-no v.-1 9 SisOp 0 N-1 RAM SisOp 0 N-1 RAM SisOp 0 N-1 RAM SisOp 0 N-1 RAM livre livre livre livre livre Instituto de Informática -UFRGS

Problemas com partição variável



Necessidade de gerenciar as “lacunas” livres e ocupadas

 Lista de lacunas livres (início e tamanho)  Critério de escolha de lacunas livres

 Best fit: escolher lacuna que minimiza a sobra  Worst fit: escolher lacuna que maxima a sobra

 First fit: escolher a primeira lacuna que o processo cabe  Circular fit: variação do first-fit (inicia pesquisa de onde parou)



Desperdício de memória (geração de fragmentos)

 Memória livre não aproveitável entre as partições  Fragmentação externa Sistemas Operacionais 12 A. C arissimi -11-no v.-1 9 SisOp 0 N-1 RAM livre livre livre livre

(4)

Instituto d e Informática -UFRGS

Compactação e concatenação



Problema fundamental:

 Não haver memória livre contígua para receber um processo



Compactação e concatenação

 Mover as áreas contíguas para ficarem próximas (compactação) e uni-las para formar uma única partição contigua livre (concatenação)

Sistemas Operacionais 13 A. C arissimi -11-no v.-1 9 SisOp 0 N-1 livre livre livre livre SisOp 0 N-1 livre livre livre livre SisOp 0 N-1 livre Novo problema: Ajuste de endereços Compactação Concatenação Memória lógica versus memória física Instituto d e Informática -UFRGS

Carga de programa em memória



Independente do tipo de partição (fixa ou dinâmica), há o problema

de onde carregar o programa

 Depende se o código e relocável ou absoluto e da existência de amarração dinâmica.



Código executável relocável

 Programa pode ser carregado em qualquer partição



Código executável absoluto

 Opção I: carregado apenas no local para onde foi gerado (end. de ligação)  Opção II: com amarração dinâmica, pode ser carregado e qualquer local

Aumento do grau de multiprogramação



Quantidade de processos que disputam a atenção da CPU

 Limitado pela quantidade de memória RAM disponível e pelo tamanho dos processos e/ou partições



Multiprogramação efetiva:

 Quantidade de processos que estão no escalonador de curto prazo



Como aumentar o grau de multiprogramação?

 Usando o disco como um “expansor” de memória  Área de swap

 Memória disponível é RAM + área de swap

A. C arissimi -11-no v.-1 9 Instituto d e Informática -UFRGS A. C arissimi -11-no v.-1 9

Swapping



Obtenção de área de memória livre através do armazenamento

temporário de um processo em disco (área de swap)

 Candidatos potenciais são aqueles em estado bloqueado ou que já executaram demasiadamente no escalonador de curto prazo



Operação de swapping é sobreposta ao processamento

 E/S realizada através de DMA



Procedimentos de swap-in e swap-out

 Realizado por um processo especial (swapper deamon)



Otimizações:

 Copiar para o disco apenas as áreas que foram modificadas (dados e pilha)  Partição específica para o swap

(5)

Área de swap



Forma de aumentar o grau de multiprogramação

 Rodízio de processos entre memória e disco)



Restrições para swap-in

 O processo NÃO pode ser carregado em local diferente de sua primeira carga, pois em um processo não há informação de relocação

 Solução: código absoluto e e amarração em tempo de execução por

hardware (dinâmica) Sistemas Operacionais 17 A. C arissimi -11-no v.-1 9 P_i Pk swap-out swap-in

Escalonador de médio prazo é quem decide sobre os processos “vítimas” para irem ao disco

Partições fixas e amarração



Com código absoluto sem amarração dinâmica

 Um processo só pode ser carregado em uma determinada partição  Pode haver disputa por uma partição mesmo tendo outras livres

 Processo é mantido no escalonador de longo prazo (termo)  Empregar swapping (escalonamento de médio prazo)



Com código absoluto com amarração dinâmica

 Processo pode ser carregado em qualquer partição de maior ou igual tamanho  Se todas as partições estão ocupadas, duas soluções:

 Processo é mantido no escalonador de longo prazo  Empregar swapping (escalonamento a médio prazo)



Código realocável após carregado apresenta mesmos problemas de

um código absoluto sem amarração dinâmica

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Problema: alocação de memória



A criação de um processo implica alocação de memória

 Como dimensionar o tamanho do processo?  Onde alocar?



Duas estratégias para alocação

 Reservar um tamanho prefixado

 Erros de dimensionamento: desperdício versus erros de execução  Espaço lógico <= espaço físico

 Consumir de memória por demanda até um limite (Memória virtual)  Espaço lógico > espaço físico

Um pouco mais sobre alocação contígua e gerência...



Executável fornece informações para áreas de código e dados



A área para a pilha e heap é definida com um critério e subdivididas

 Um tamanho é pré-definido e préalocado  Uma porção é pré-reservada para pilha

 Gerência é na base LIFO sendo alocado espaço suficiente para endereço de retorno, argumentos da função, variáveis locais (stack frame)

 O restante é para o heap

 Gerenciado com técnicas similares a alocação particionada dinâmica

 Best-fit, worst-fit, first-fit, circular fit e outros mais elaborados



Necessário alocar áreas para estruturas do próprio sistema

operacional

 Alocadores: sistema buddy, slab, Lazy buddy, McKusick-Karels

Sistemas Operacionais 20 A. C arissimi -11-no v.-1 9

(6)

Sistema buddy



Compromisso entre partição fixa e partição variável



Considera um segmento de memória



Memória é dividida em um certo número de blocos de espaços livre

 Tamanho em potência de 2

 Um bloco de tamanho 2 i _{é dividido em 2 blocos de tamanho 2}i-1_(buddies)

256 k 128 k 64 k 32 k Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 22 A. C arissimi -11-no v.-1 9

Sistema buddy: vantagens e desvantagens



Vantagem:

 Rapidez na alocação

 Capacidade de fusionar buddies



Desvantagem:

 “Arredondar” para a próxima potência de 2 leva a fragmentação interna



Custo “gerencial”

 Necessário manter a lista de blocos livres e ocupados, concatenar buddies etc



Exemplo de emprego:

 Operações de E/S transferem diretamente dados de periféricos para memória via DMA, curto-circuitando a gerência de memória

 Solução é alocar contiguamente uma área de memória para E/S

Alocação slab



Baseado em uma hierarquia de componentes

 Objeto – cache – slab



Princípio:

 Objetos são estruturas genéricas próprias do núcleo (PCBs, IOBlock, FCB, etc)  Uma cache para cada “classe” de objetos

 Slab: uma ou mais páginas contíguas

A. C arissimi -11-no v.-1 9 RAM slab1 slabn Cache1 Cachen Pré-alocados!!! Instituto d e Informática -UFRGS A. C arissimi -11-no v.-1 9