Gerenciamento de Memória: Introdução

Gerenciamento de Memória: Introdução

• A estrutura dos computadores, proposta por John Von Neumann na década de 1930, deve ser considerada antes de definir o gerenciamento de memória.
• Um computador tem 3 partes fundamentais: processador, dispositivos de entrada/saída e memória.
• A parte do sistema operacional que gerencia a hierarquia de memórias é o gerenciador de memória.
• A função garante o gerenciamento eficiente da memória, como controlar quais partes são usadas, alocar e liberar memória para processos.
• O gerenciamento de memória cache é feito pelo hardware, então este estudo aborda o modelo de memória principal do programador.
• Os programas em execução residem na memória principal.
• A memória secundária são mecanismos de armazenamento permanente, abundantes e baratos.
• Para executar, um programa deve ser carregado na memória principal.
• Ocorre gerenciamento complexo em sistemas multiprogramáveis com múltiplos usuários utilizando a memória de forma eficiente.

Alocação de Memória

• Alocação Contígua Simples:
  • Sistemas Operacionais e sistemas monoprogramáveis ainda existentes a implementam.
  • A memória é dividida em duas partes: Sistema Operacional e programa do usuário.
  • O programador consegue controlar toda a memória principal, inclusive onde o Sistema Operacional está.
  • Para a proteção é utilizado um mecanismo para delimitar a área do Sistema Operacional.
  • A implementação é fácil e o código reduzido, mas o uso do processador e da memória é ineficiente.
  • Apelas um usuário pode dipor desse recurso.
  • Os programas são limitados ao tamanho da memória disponível.
  • Overlay (sobreposição): Solução para dividir o programa em partes (módulos) para a execução independente utilizando uma mesma área de memória.
  • A definição das áreas de Overlay são de responsabilidade do programador através de comandos específicos.
• Alocação Particionada Estática:
  • A multiprogramação exige organização da memória para que vários programas estejam presentes ao mesmo tempo.
  • A memória é dividida em tamanhos fixos (partições) definidos na inicialização do Sistema em função dos programas que executariam no ambiente.
  • A alteração do tamanho de uma partição depende da inicialização do Sistema Operacional.
• Alocação Particionada Dinâmica:
  • Aumenta o grau de compartilhamento, o que diminui a fragmentação.
  • Partições sem tamanho fixo, onde cada programa utiliza o espaço que necessita.
  • Existe o problema de fragmentação resultante dos espaços deixados por programas finalizados.
  • Soluções para o problema da fragmentação:
    • Primeira: Reunir os espaços adjacentes, produzindo um único espaço de tamanho maior.
    • Segunda: Realocação de todas as partições ocupadas, eliminando os espaços entre elas (alocação dinâmica com realocação), porém, aumentando a complexibilidade do algoritmo e consumindo mais recursos do sistema.
• Swapping:
  • Tenta reduzir a insuficiência da memória para todos os usuários.
  • Aloca-se espaço para programas que esperam memória livre
  • O sistema escolhe um programa residente, levando-o ao disco (swap out), retornando-o depois à memória principal (swap in).
  • O loader realocável, possibilita que um programa seja colocado em qualquer posição da memória e realiza a realocação no carregamento.
• Memória Virtual:
  • Combina as memórias principal e secundária.
  • Dá a impressão de que a memória virtual é muito maior.
  • O endereçamento feito pelo programa e dos endereços físicos da memória principal são desvinculados.
  • Objetiva minimizar a fragmentação da memória.
  • Apenas parte do programa reside na memória em um dado momento.
  • O SO utiliza a memória secundária como uma extensão da memória principal.
• Paginação:
  • Técnica de gerenciamento de memória onde o espaço de endereçamento virtual e o espaço de endereçamento real são divididos em blocos do mesmo tamanho (páginas).
  • Páginas virtuais (espaço virtual) e frames ou molduras (espaço real).
• Realocação de Páginas:
  • Escolher páginas para remover da memória principal deve ser um dos problemas.
  • O Sistema Operacional deve considerar se uma página foi ou não modificada antes de liberá-la para outro processo, caso contrário, os dados podem ser perdidos.
  • Quando uma página é alterada, um bit de modificação é alterado de 0 para 1, o que informa que a página foi alterada.
  • O ideal é escolher uma página que não será utilizada num futuro próximo.
  • Estratégias de realocação de páginas:
    • Aleatória: não utiliza critério de seleção, consome poucos recursos e é raramente utilizada.
    • FIFO: a página que foi utilizada primeiro é a primeira a ser escolhida, ela é simples e necessita penas de uma fila.
• Segmentação:
  • Técnica de gerência de memória onde os programas são divididos de forma lógica em sub-rotinas e estruturas de dados, e são organizados em blocos de informações.
  • Segmentos: blocos de tamanhos diferentes com seu próprio espaço de endereçamento.
  • Segmentação X Paginação: a paginação é feita com partes de tamanho fixo e os segmentos são feitos com blocos de tamanhos variados, o que permite uma relação entre a lógica do programa e a sua divisão na memória.
  • Cada entrada na tabela de segmentos possui o endereço na memória física, informações sobre o tamanho e proteção, e se ele está na memória.
  • O SO mantém uma tabela com as áreas livres e ocupadas.
  • A escolha de uma área livre a ser ocupada por um processo pode ser a mesma utilizada em 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.
  • Existe o problema da fragmentação e também o da complexibilidade.
• Segmentação com Paginação:
  • Permite a divisão lógica de programas e segmentos, onde cada segmento é dividido fisicamente em páginas.
  • Um endereço é formado do número do segmento, pelo número da página contida e pelo deslocamento dentro dessa página.
  • O endereço físico é obtido da soma da posição inicial do frame com o deslocamento.
  • Necessária para evitar que um processo tenha acesso não autorizado ou modifique um página/segmento do sistema.

O que é Memória

• Dispositivos para armazenar dados (temporária ou definitivamente).
• A unidade básica é o Bit.
• O bit possui 2 valores: 0 e 1.
• O Byte é um agrupamento de 8 bits.
• A Palavra é a unidade de informação constituída pelo agrupamento de 32 bits.

Ordem de Grandeza

• Bit
• Byte: 8 bits
• Kilobyte: 1024 Bytes (Arquivo Texto)
• Megabyte: 1024 KB (Disquete)
• Gigabyte: 1024 MB (Pendrive)
• Terabyte: 1024 GB (HD Moderno)
• Petabyte: 1024 TB (Data Center)
• Exabyte: 1024 TB (Se cada pessoa do planeta guardasse 2,5 GB, no total teríamos 1EB)
• Zettabyte: 1024 EB (Demanda de armazenamento no final de 2011)

Tipos de memória

• Voláteis:
  • Perda de dados em caso de falta de energia.
  • Mais rápidas que as não voláteis.
  • Memória Principal do Computador:
    • Registradores do Processador.
    • Cache: Altíssima velocidade (maior que a RAM), porém de tamanho reduzido, devido ao seu alto custo e unida fisicamente ao processador.
• Não voláteis:
  • Mantém os dados mesmo sem energia.
  • Constituem a memória auxiliar do computador.
  • ROM (read only memory).
  • PROM: Dados são gravados uma vez e não podem ser apagados.
  • EPROM, EEPROM: Podem ser apagados/reescritos (com ultravioleta ou eletronicamente).
• Flash*
  • Mais rápida e durável que as ROM.
  • Armazenam grandes volumes de informação.
  • Utilizada como pendrive e cartão de memória.
  • Óptica: CD, DVD
  • Magnética: HD, Disquete, Fita Cassete.

Tipos de Memória, Finalizando

• Memória Principal:
  • Mantém os dados em uso pelo computador e os fornece rapidamente ao processador.
  • Normalmente, a necessidade de memória é maior do que a sua disponibilidade.
• Memória Secundária:
  • Memórias de armazenamento em massa.
  • Os dados são permanente.
  • Não pode ser endereçada diretamente.
  • A informação exige ser carregada na memória principal para ser tratada pelo processador.
  • Não volátil.
• Memória Virtual:
  • Quando a memória principal não comporta a demanda, partes do programa/dados não utilizados são transferidas para a memória auxiliar.
  • Os dados armazenados na memória auxiliar serão transferidos de volta para a memória principal.

Hierarquia entre as memórias

• Custo alto, velocidade alta e baixa capacidade.
• Custo baixo, velocidade baixa e alta capacidade.

Acesso a memória

• Quando uma instrução é recebida na CPU e existe a necessidade de buscar dados, a ordem é:
  • CPU acessa CACHE (praticamente instantâneo).
  • Se não encontrar, acessa a RAM (5x mais tempo).
  • Se não encontrar, acessa a memória VIRTUAL (extremamente dispendioso pelo acesso ao disco).
• Princípio Temporal: Para um determinado endereço de memória, será provável que haja um novo acesso a este endereço em breve.
• É possível que a maioria das buscas encontrem os dados na memória cachê e evita a paralisação do processamento para acessar à memória RAM ou à memória Auxiliar.

Gerência de Memória

• A principal função é mover programas e seus dados da memória auxiliar para a principal.
• Essa gerência é do Sistema Operacional.
• O SO deve ser capaz de garantir que cada programa tenha acesso a sua área de memória e evitar corromper outros.
• É capaz de permitir mono ou multiprogramação.
• É capaz de:
  • Alocar programas maiores que a memória principal.
  • Otimizar o acesso e diminuir o tempo ocioso.
  • Otimizar a alocação para não gerar fragmentação.
• O Sistema operacional deve:
  • Controlar quais regiões são utilizadas e por qual processo.
  • Decidir qual processo carregar (quando houver espaço).
  • Alocar e desalocar espaço.
• Funções do Gerenciador:
  • Controlar as unidades de memória em uso para que sejam alocadas quando necessário.
  • Liberar as unidades desocupadas após finalização de um processo.
  • Tratar o swapping entre memória principal e secundária.
  • A transferência temporária de processos residentes da memória é para memória secundária
• Em um ambiente multiprogramado, é necessário:
  • Subdividir a memória para acomodar múltiplos processos.
  • Se poucos processos estão na memória, em boa parte do tempo estarão esperando por E/S: UCP sub-utilizada.
  • Alocar eficientemente ao maior número de processos.
• Funções:
  • Tradução de endereços
  • Relocação
  • Proteção
  • Compartilhamento
  • Organização física / lógica
• Tradução de endereços:
  • Uma das funções mais importantes do sistema de gerenciamento de memória é a tradução dos endereços lógicos (programas) para endereços físicos (reais).
• A MMU (Memory-Managment Unit) é o modulo hardware para a conversão entre os endereços lógicos e físicos.
• Lógica: é aquela manipulada pelo processo.
• Física: aquela implementada pelos circuitos integrados.
• As funções da MMU são:
  • Verificar a possibilidade de conversão
  • Comprovar as permissões
  • Converter

Finalizando Memória

• Relocação:

• Capacidade de mover um programa de uma região da memória principal para outra sem invalidar as referências internas. O programador não precisa saber onde o programa (processo) será carregado para a execução. O processo pode sair e retornar em um local diferente. É necessário resolver as referências. A ocorrência sempre:

• No momento de lançar o programa.

• Dinamicamente, durante a execução. A MMU ajustada para ocorrer a relocalização do processo de forma correta.

• Proteção

• Assegurar a proteção do código e dos dados dos processos contra acessos acidentais ou intencionados de outros processos. Também deve proteger o código e dados do S.O. Os processos necessitam de permissão prévia. Em virtude da relocação, é preciso testar os endereços. Utilizar hardware, o teste será em tempo de execução.

• Compartilhamento: Os programas (código e dados) devem ser compartilhados para requisitos e aumentar a multiprogramação. Permitir o acesso na mesma área e sempre comprometer o requisito da proteção.

• Organização: A memória física de um sistema se organiza como um espaço de endereços linear e unidimensional definido por uma sequência de palavras. Geralmente organizados em módulos (código, dados, pilha, etc.). Se refere a organização lógica dos programas e garantir a conversão até o formato organizacional.

As organizações podem ser:

• Física:
• Hierarquia
• Acesso a memoria
• Extremamente rápida, volátil e alto custo (Cache)
• Rápida, volátil e custo mediano (Principal)
• Lenta, armazenamento permanente e barata (Secundária)
• Lógica
• Separados em módulos, permitindo compilação separada.
• Referências para outro módulo para execução;
• São atribuídos graus de proteção ou permitir o compartilhamento

Sistemas de Gestão de Memória

• Máquina Simples (Monoprogramação)

◊ Características:

• Não há um sistema de gestão da memória
• Usuário com controle total da memória
• Endereçamento lógico igual ao espaço de enredeçamento lógico é mesmo.

◊ Vantagens:

• Maior flexibilidade e simplicidade
• Não requerer hardware

◊ Desvantagens:

• Processodo e Kernel S.O. compartilham mesmo espaço
• Sem proteção e pouco eficiente

Sistemas de Arquivos

Na prática um sistema (file System, do inglês) organiza lógica e estrutura dos arquivos dando acesso e controlando o disco. Junto ao sistema operacional temos o Arquivo (FS), com Windows o sistema operacional FAT, FAT32, NTFS e GPT. Para MacOS usa-se o HFS+ e no Linux a Ext (Ext2, Ext3 e Ext4), ReiserFS e Btrfs .

Atributos um arquivo

Os atributos variam de um sistema operacional para outro, mas são

• Nome. O nome simbólico é único
• Identificador. O rótulo exclusivo identifica o sistema de arquivo.
• Tipo. A informação para sistemas que acessam tipos arquivos
• Locação. Um ponteiro para o dispositivo/locação para esse dispositivo.
• Tamanho. Define o tamanho corrente e possibilita o tamanho máximo permitido.
• Proteção. Permite ler, gravar, executar um arquivo

Hora, data e identificação do usuário. Gerencia criação, permissões e identificação.