Gerenciamento de Memria Parte I Gerenciamento bsico de

Gerenciamento de Memória Parte I • Gerenciamento básico de memória • Troca de processos • Memória virtual • Algoritmos de substituição de páginas Parte II • Modelagem de algoritmos de substituição de páginas • Questões de projeto para sistemas de paginação • Questões de implementação • Segmentação Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 1

Gerenciamento de Memória • Idealmente, o que todo programador deseja é dispor de uma memória que seja – grande – rápida – não volátil • Hierarquia de memórias – pequena quantidade de memória rápida, de alto custo cache – quantidade considerável de memória principal de velocidade média, custo médio – gigabytes de armazenamento em disco de velocidade e custo baixos • O gerenciador de memória trata a hierarquia de memórias Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 2

Multiprogramação com Partições Fixas • Partições fixas de memória a) filas de entrada separadas para cada partição b) fila única de entrada Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 3

Modelagem de Multiprogramação Maioria dos processos é CPU-Bound Maioria dos processos é IO-Bound Utilização da CPU como uma função do número de processos na memória Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 4

Análise de Desempenho de Sistemas de Multiprogramação • Chegada de 4 jobs e suas necessidades de trabalho • Utilização da CPU por até 4 jobs com 80% de espera por E/S • Sequência de eventos entre chegada e término dos jobs – Note que os números mostram quanto tempo da CPU cada job obtém em cada intervalo Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 5

Relocação e Proteção • Não se sabe com certeza onde o programa será carregado na memória – Localizações de endereços de variáveis e de código de rotinas não podem ser absolutos • Uma possível solução: instruções do programa são modificadas segundo a partição de memória em que ele será carregado • Uma solução para relocação e proteção: uso de valores base e limite – localizações de endereços são somadas ao valor base antes de serem mapeadas na memória física – localizações de endereços maiores que o valor limite indicam erro Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 6

Troca de Processos (1) • Alterações na alocação de memória à medida que processos entram e saem da memória • Regiões sombreadas correspondem a regiões de memória não utilizadas naquele instante Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 7

Troca de Processos (2) a) Alocação de espaço para uma área de dados em expansão b) Alocação de espaço para uma pilha com código e uma área de dados, ambos em expansão Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 8

Gerenciamento de Memória com Mapas de Bits a) Parte da memória com 5 segmentos de processos e 3 segmentos de memória livre − − b) c) pequenos riscos simétricos denotam as unidades de alocação regiões sombreadas denotam segmentos livres Mapa de bits correspondente Mesmas informações em uma lista encadeada Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 9

Gerenciamento de Memória com Listas Encadeadas Quatro combinações de vizinhança para o processo X em término de execução Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 10

Memória Virtual Paginação (1) Localização e função da MMU Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 11

Memória Virtual - Paginação (2) A relação entre endereços virtuais e endereços físicos de memória dada pela tabela de páginas Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 12

Tabelas de Páginas a) Endereço de 32 bits com 2 campos (PT 1, PT 2) para endereçamento de tabelas de páginas b) Tabelas de páginas com 2 níveis Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 13

Tabelas de Páginas Entrada típica de uma tabela de páginas Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 15

Memória Associativa ou TLB para acelerar a paginação TLB = Translation Lookaside Buffer (tabela das traduções de endereços mais recentes em um dispositivo; funciona como uma cache para tabelas de página) Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 16

Algoritmos de Substituição de Páginas • A falta de página força uma escolha – qual página deve ser removida – alocação de espaço para a página a ser trazida para a memória • A página modificada deve primeiro ser salva – se não tiver sido modificada é apenas sobreposta • Melhor não escolher uma página que está sendo muito usada – provavelmente precisará ser trazida de volta logo Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 18

O Algoritmo de Substituição de Página Não Usada Recentemente (NUR) • Cada página tem os bits Referenciada (R) e Modificada (M) – Bits são colocados em 1 quando a página é referenciada e modificada • As páginas são classificadas - • Classe 0: não referenciada, não modificada Classe 1: não referenciada, modificada Classe 2: referenciada, não modificada Classe 3: referenciada, modificada NUR remove página aleatoriamente – da classe de ordem mais baixa que não esteja vazia Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 20

Algoritmo de Substituição de Página Primeira a Entrar, Primeira a Sair • Mantém uma lista encadeada de todas as páginas – página mais antiga na cabeça da lista – página que chegou por último na memória no final da lista • Na ocorrência de falta de página • página na cabeça da lista é removida • nova página adicionada no final da lista • Desvantagem – página há mais tempo na memória pode ser usada com muita freqüência Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 21

Algoritmo de Substituição de Página Segunda Chance (SC) • Operação do algoritmo segunda chance a) b) lista de páginas em ordem FIFO estado da lista em situação de falta de página no instante 20, com o bit R da página A em 1 (números representam instantes de carregamento das páginas na memória) Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 22

Algoritmo de Substituição de Página Relógio Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 23

Menos Recentemente Usada (MRU) • Assume que páginas usadas recentemente logo serão usadas novamente – retira da memória página que há mais tempo não é usada • Uma lista encadeada de páginas deve ser mantida – página mais recentemente usada no início da lista, menos usada no final da lista – atualização da lista à cada referência à memória • Alternativamente manter contador em cada entrada da tabela de página – escolhe página com contador de menor valor – zera o contador periodicamente Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 24

O Algoritmo de Substituição de Página WSClock Operação do Algoritmo WSClock Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 29

Revisão dos Algoritmos de Substituição de Página Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 30

Gerenciamento de Memória Parte II Modelagem de algoritmos de substituição de páginas Projeto para sistemas de paginação Questões de implementação Segmentação Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 31

Modelagem de Algoritmos de Substituição de Página – Anomalia de Belady Esperado: quanto mais molduras de página a memória possuir, menos faltas de página o programa terá. Anomalia: neste exemplo, o algoritmo de substituição FIFO tem mais faltas de página (10 P) para mais molduras (4). . . • FIFO com 3 molduras de página • FIFO com 4 molduras de página • P mostra quais referências de página causaram faltas de página Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 32

Algoritmo de Pilha distância memória disco Estado do vetor de memória, M, após cada item na cadeia de referências ter sido processado Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 33

A Cadeia de Distâncias: serve para Previsão de Frequência de Faltas de Página 20 3 3 14 3 11 9 1 8 0 Possivelmente, melhor custobenefício Cálculo da freqüência de faltas de página a) b) o vetor C o vetor F Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 34

Controle de Carga • Mesmo com um bom projeto, o sistema ainda pode sofrer paginação excessiva (thrashing) • Quando o algoritmo PFF (frequência de falta de páginas) indica – alguns processos precisam de mais memória – mas nenhum processo precisa de menos (ou seja, nenhum pode ceder páginas) • Solução : Reduzir o número de processos que competem pela memória – levar alguns deles para disco (swap) e liberar a memória a eles alocada – reconsiderar grau de multiprogramação Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 35

Tamanho de Página Tamanho de página pequeno • Vantagens – menos fragmentação interna – menos programa não usado na memória • Desvantagens – programas precisam de mais páginas, tabelas de página maiores Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 36

Espaços Separados de Instruções e Dados a) Espaço de endereçamento único b) Espaços separados de instruções (I) e dados (D) Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 37

Páginas Compartilhadas P 2 Dados do processo 1 P 1 Dois processos que compartilham o mesmo código de programa e, por conseqüência, a mesma tabela de páginas para instruções Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 38

Envolvimento do S. O. com Paginação Quatro circunstâncias de envolvimento: Criação de processo 1. - determina tamanho do programa cria tabela de página Execução de processo 2. - Inicia MMU (Unidade de Gerenciamento de Memória) para novos processos Ocorrência de falta de página 3. - determina endereço virtual que causou a falta descarta, se necessário, página antiga carrega página requisitada para a memória (swap) Terminação de processo 4. - Libera tabela de páginas, e espaço em disco que as páginas ocupam Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 39

Gerenciamento da falta de páginas 1) Chamadas do kernel pela MMU - hardware desvia a execução para o núcleo (kernel) 2) Salvamento dos registradores de uso geral 3) S. O. determina página virtual requerida 4) S. O. valida endereço e remove página da memória 5) Se página modificada, escreve para o disco 6) S. O. lê página do disco e põe na memória principal 7) Atualiza tabelas de páginas 8) Executa do começo a instrução que provocou a falta 9) Processo colocado em “pronto” 10) Registradores restaurados 11) Programa continua Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 40

Fixação de Páginas na Memória • Memória virtual e E/S interagem ocasionalmente • Processo (1) emite chamada ao sistema para ler do disco para o buffer – enquanto espera pela E/S, outro processo (2) inicia – ocorre uma falta de página para o processo 2 – buffer do processo 1 pode ser escolhido para ser levado para disco – problema! • Solução possível – Fixação de páginas envolvidas com E/S na memória Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 41

Memória Secundária (a) Paginação para uma área de troca estática (b) Páginas alocadas dinamicamente em disco Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 42

Segmentação (1) , que contém a análise sintática do programa variáveis • Espaço de endereçamento unidimensional com tabelas crescentes • Uma tabela pode atingir outra… Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 43

Segmentação (2) Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 44

Comparação entre paginação e segmentação Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 45

Infra-estrutura de Software Sistemas de Arquivos • Diretórios • Implementação do sistema de arquivos • Gerenciamento de espaço em disco Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 46

Armazenamento da Informação a Longo Prazo 1. Deve ser possível armazenar uma quantidade muito grande de informação 2. A informação deve sobreviver ao término do processo que a usa – persistência 3. Múltiplos processos devem ser capazes de acessar a informação concorrentemente – compartilhamento Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 47

Nomeação de Arquivos Extensões típicas de arquivos Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 48

Estrutura de Arquivos • Três tipos de arquivos a) seqüência de bytes b) seqüência de registros c) árvore Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 49

Tipos de Arquivos Identifica arquivo como executável Endereço no qual a execução deve iniciar Mais adiante. . . Para uso na memória Para depuração (a) Um arquivo executável (b) Um repositório (archive) Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 50

Acesso aos Arquivos • Acesso sequencial – lê todos os bytes/registros desde o início – não pode saltar ou ler fora de seqüência – conveniente quando o meio era a fita magnética • Acesso aleatório – bytes/registros lidos em qualquer ordem – essencial para sistemas de bases de dados – ler pode ser … • mover marcador de arquivo (seek), e então ler ou … • ler e então mover marcador de arquivo Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 51

Atributos de Arquivos para quando registro é consultado usando uma ‘chave’ Possíveis atributos (flags) de arquivos Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 52

Operações com Arquivos 1. Create 2. Delete 3. Open 4. Close 5. Read 6. Write Pearson Education 7. Append 8. Seek: ponteiro para acesso aleatório 9. Get attributes 10. Set Attributes 11. Rename Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 53

Diretórios Sistemas de Diretório em Nível Único • Um sistema de diretório de nível único – contém 4 arquivos – propriedades de 3 pessoas diferentes, A, B, e C Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 54

Sistemas de Diretórios em Dois Níveis As letras indicam os donos diretórios e arquivos Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 55

Sistemas de Diretórios Hierárquicos Um sistema de diretório hierárquico Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 56

Nomes de Caminhos (pathnames) Uma árvore de diretórios UNIX Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 57

Operações com Diretórios 1. 2. 3. 4. Create Delete Opendir Closedir Pearson Education 5. Readdir 6. Rename 7. Link 8. Unlink Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 58

Implementação do Sistema de Arquivos Master Boot Record: Registro Principal do Boot, usado para iniciar o computador Principais parâmetros do sistema de arquivo – ex. tipo do sistema de arquivos, número de blocos do sistema Estrutura de dados com informações sobre um arquivo, sendo um i-node por arquivo Um possível layout de sistema de arquivo Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 59

Implementação de Arquivos (1) (a) Alocação contígua do espaço em disco para 7 arquivos (b) Estado do disco depois dos arquivos D e E terem sido removidos Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 60

Implementação de Arquivos (2) Término de A Armazenamento de um arquivo como uma lista encadeada de blocos de disco Pearson Education Término de B Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 61

Implementação de Arquivos (3) Um exemplo de i-node Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 62

Implementação de Diretórios (a) Um diretório simples entradas de tamanho fixo endereços de disco e atributos na entrada de diretório (b) Diretório no qual cada entrada se refere apenas a um i-node Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 63

Arquivos Compartilhados (1) Sistema de arquivo contendo um arquivo compartilhado Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 64

Arquivos Compartilhados (2) (a) Situação antes da ligação (b) Depois de a ligação ser criada (c) Depois de o proprietário (C) remover o arquivo (i-node deixado intacto para evitar erro, já que B não é o proprietário – e continua na conta de alocação de C…) Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 65

Gerenciamento do Espaço em Disco Considerações relevantes: • Tamanho do bloco: eficiência • Monitoramento de blocos livres (ex. mapas de bits) • Cotas de usuários Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 66

O que vimos: Módulo I • Conceitos: SO (“máquina estendida”), Processo e outros • Escalonamento de Processos • Entrada/Saída • Gerenciamento de Memória • Sistemas de Arquivos S e g u e… Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 67

Próximas Datas Importantes • 22/04/2008 • 24/04/2008 • 29/04/2008 Pearson Education Lab: Processos, Escalonamento, I/O, Memória e Aula de revisão 1º Exercício Escolar Entrega dos projetos Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 68