SO-05 Gerenciamento de Memória e Alocação

Gerência de Memória
Alocação

 Introdução
 Atribuição de Endereços, Carregamento Dinâmico, Ligação
Dinâmica
 Espaço de Endereçamento Físico versus Lógico
 Alocação Contígua Simples
 Overlay
 Alocação Particionada
 Fragmentação Externa e Interna
 Gerência de Memória com Mapeamento de Bits
 Gerência de Memória com Listas Ligadas
 Algoritmos de Alocação de Partições
 Swapping

Eduardo Nicola F. Zagari
2
Gerência de Memória - Alocação

 Memória  um dos mais importantes recursos de um computador
 necessidade de ser gerenciada
 Programas devem ser colocados dentro de um processo e então
carregados em memória para serem executados.
 Input queue – coleção de processos no disco que estão aguardando
carregamento em memória para executarem o programa.
 Funções de um Gerente de Memória
 controlar quais partes da memória estão em uso
 controlar quais partes estão livres
 alocar memória a processos quando estes precisarem
 desalocar quando eles não mais necessitarem
 gerenciar a troca (swapping ) dos processos entre memória principal e
disco, quando a memória não é grande o suﬁciente para guardar todos os
processos

3

 A CPU busca instruções da memória de acordo com o valor do
contador de instruções (PC) do programa em execução. Essas
instruções podem:
 buscar novos valores de endereços especíﬁcos da memória
 armazenar novos valores em posições especíﬁcas da memória
 Programas de usuário passam por vários passos antes de
começarem a ser executados.

Instrução
UAL UC
Parâmetros Memória
PC Registrador Principal
Registrador Resultado

4

 A maioria dos sistemas permite que os processos de usuários
sejam colocados em qualquer parte da memória
 assim, embora o espaço de endereçamento comece em 0000, o
endereço inicial de um processo não precisa ser este.
 A ligação de endereços de
instruções e de dados para os Programa
endereços de memória podem Fonte
acontecer em 3 estágios
diferentes:
 Em tempo de compilação
compilador ou tempo de
 código absoluto: se o programa vai montador compilação
ser carregado no endereço E, o
código gerado pelo compilador
inicia-se neste endereço (se for
alterado, deve ser recompilado).
Ex.: “.COMʼʼ do DOS
Código
Objeto

5

 Em tempo de carga
 código relocável: quando não se Código
conhece em tempo de Cód Obj
Objeto de outros
compilação a posição em que o
programa será armazenado. módulos
Ex.:
 Compilador: 14 bytes do
início
ligador tempo
 Carregador: 74000 + 14
de carga

Código
Biblioteca
Relocável
de sistema

carregador

6

 Em tempo de execução
Biblioteca
 se o processo pode ser movido
de sistema
durante sua execução, a
determinação do endereço deve
ser atrasada para o tempo de carregador
execução
 há a necessidade de suporte de
hardware para o mapeamento Biblioteca
de endereços (p.ex.: de sistema
registradores base e limite)
carregada
dinamica-
mente

Código
tempo de
binário
executável execução

7

 O conceito de um espaço de endereçamento lógico que está
associado a um espaço de endereçamento físico separado é
central ao adequado gerenciamento da memória.
 Endereço Lógico – gerado pela CPU; também conhecido como
endereço virtual.
 Endereço Físico – endereço visto pela unidade de memória. 

 Endereços Lógico e Físico são os mesmo nos esquemas de
atribuição de endereços em tempo de compilação e em tempo
de carga.
 Endereços Lógico e Físico diferem quando se usa esquema de
atribuição de endereços em tempo de execução.

8

 Dispositivo de hardware que mapeia endereços virtuais em
endereços físicos. 

 Através da MMU, o valor do registrador de relocação é
adicionado a todo endereço gerado pelo processo do usuário no
instante em queee é enviado à memória. 

 O programa do usuário lida com endereços lógicos; ele nunca vê
o endereço físico real.

9

Registrador
Base
14000

Endereço Endereço Memória
Lógico Físico
CPU #346 + #14346
Principal

MMU
Unidade de
Gerenciamento
de Memória

10

 Rotina não é carregada até que ela seja chamada
 Melhor utilização do espaço de memória
 Rotinas que não são usadas nunca são carregadas.
 Útil quando grandes quantidades de código são necessárias
para manipular casos pouco freqüentes.
 Nenhum suporte especial do S.O. é requerido
 Implementado através do projeto do programa.

11

 A ligação (linking) é adiada até o tempo de execução.
 Stub: um pequeno pedaço de código usado para a localização
da rotina dinâmica, residente em memória, apropriada.
 O stub substitui a si próprio com o endereço da rotina e a
executa.
 É necessário o suporte do S.O. para veriﬁcar se a rotina está no
endereço de memória dos processos.
 Ligação Dinâmica é particularmente útil para bibliotecas.
 Economia de espaço
 Atualização
 Controle de concorrência

12

 Toda vez que desejarmos executar um programa (residente em
memória secundária), deveremos, de alguma forma, carregá-lo
para a memória principal, para que o processador possa
referenciar suas instruções e seus dados
 Nos sistemas monoprogramados a gerência da memória não é
muito complexa, mas nos sistemas multiprogramados ela se
torna crítica
 A seguir apresentaremos os principais esquemas de
organização e gerência da memória principal

13

 Implementada nos primeiros SOs e ainda está presente em
alguns sistemas monoprogramados
 Esquema mais simples para gerência de memória
 A memória principal é dividida em duas partes:
 uma para o Sistema Operacional
 outra para o(s) programa(s) do(s) usuário(s)
 SO pode ocupar tanto a parte baixa quanto a parte mais alta da
memória, dependendo da localização do vetor de interrupções

14

 No IBM-PC é utilizado o terceiro modelo: nos 8KB mais altos dos
1 MB de endereçamento existe uma ROM com um programa
chamado BIOS (Basic Input Output System), correspondente a
todos os drivers

Memória Principal Memória Principal Memória Principal
0xFF Sistema Drivers de dispo-
Área para o Operacional sitivos em ROM
processo em ROM
do usuário Área para o
Área para o processo
Sistema processo do usuário
Operacional do usuário SO
0x00 em RAM em RAM

15

 Usuário tem controle sobre toda a memória principal, podendo
acessar até a área do SO (caso do DOS)
 PROTEÇÃO: Pode-se implementar um esquema de proteção
usando um registrador que delimite as áreas do SO e usuário

Memória Principal
Registrador
Sistema
Operacional
Área para o
processo
do usuário

16

 Sempre que um programa do usuário faz referência a um endereço
de memória, o sistema veriﬁca se o endereço está nos seus limites
(registrador base e registrador limite). Caso não esteja, o programa
de usuário pode ser cancelado e ser gerada uma mensagem de
erro

Registrador Registrador
Limite Base
Endereço Endereço Memória
CPU Lógico Físico Principal
< +
MMU
interrupção de software; erro de endereçamento

17

 Problemas: não permite a utilização
eﬁciente do processador e nem da
memória principal, além de limitar o
tamanho do programa do usuário
Memória Principal

 Em SOs que suportam o conceito de Sistema
MULTIPROGRAMAÇÃO, é preciso que Operacional
existam outras formas de organização da
memória principal, a ﬁm de suportar
vários processos na memória
Processo
simultaneamente
do Usuário

Área Livre

18

 Sobreposição (Overlay) (usuário)
 O que fazer quando se tem um programa que ocupa mais memória
do que a disponível?
 Veriﬁca-se se o programa tem seções que não necessitem
permanecer na memória durante toda a execução
 Mantém-se na memória somente aquelas instruções e dados
que são necessários a qualquer hora.
 Essas seções, uma vez executadas, podem ser substituídas por
outras
 A substituição ocorre pela transferência da seção do disco para a
memória na área de overlay, cobrindo a seção anterior
 O programa é inicialmente carregado mais rapidamente, entretanto,
a execução ﬁcará um pouco mais lenta, devido ao tempo extra
gasto com a sobreposição

19

Armazenamento
Primário Armazenamento
Secundário
Parte fixa Fase inicial Fase Fase final
50K
do intermediária
processo
30K
50K
Rotina de 80K
20K
controle
de overlay

Área
80K
de
Overlay

20

 O mecanismo de overlay é pouco transparente, pois a definição
das áreas de overlay é função do programador (não é do SO),
através de comandos específicos da linguagem utilizada.
 Dependendo da definição, pode ocasionar sérias implicações no
desempenho das aplicações, devido à transferência excessiva
dos módulos entre o disco e a memória

21

 Motivação:
 tornar mais fácil programar uma aplicação, dividindo-a em dois ou
mais processos
 existência de serviço interativo para vários usuários
simultaneamente (tempo de resposta)
 utilização da CPU (existência de processos I/O bound )
 Modelos de Multiprogramação
 Modelos Simplista
 Se cada processo gasta 20% de seu tempo na memória usando
o processador, então 5 processos alcançam um fator de
utilização da CPU de 100%
 E se os 5 processos esperam por E/S simultaneamente?

22

 Modelo Probabilistico
 Cada processo gasta p% de seu tempo com E/S
 n processos  probabilidade de estarem aguardando E/S
simultaneamente: pn

F.U.CPU = 1 - pn
 Exemplo:
– 1 MB de memória, SO de 200K, processos de 200K e cada
um gasta 80% do tempo com E/S  4 processos na
memória  FUCPU ≅ 60%
– Adição de 1 MB de RAM  grau de 4 p/ 9  FU ≅87%
– Adição de mais 1 MB de RAM  grau de multiprogramação
de 9 para 14  FU ≅ 96%

23

 Nos primeiros SOs multiprogramados a memória principal era dividida em
pedaços de tamanho ﬁxo (possivelmente distintos), chamados partições

 O tamanho das partições era estabelecido na fase de inicialização do
sistema (boot), em função dos tamanhos dos programas que iriam ser
executados
 alteração de tamanho de partição
Memória Principal
 reinicialização
Sistema Operacional
Tabela de partições
Programas a 2 KB
Partição Tamanho Partição 1
serem executados
1 2 KB E D C B A Partição 2 5 KB
2 5 KB 3KB 6KB 1KB 4KB 2KB
8 KB
3 8 KB Partição 3

24

 A proteção baseia-se em dois registradores, que indicam os limites inferior
e superior da partição onde o programa está sendo executado
 Acessos do processo usuário provocam a comparação com o registrador
limite, caso haja invasão, o processo é terminado com uma mensagem de
erro.

Memória Principal Endereço inicial

Endereço final
Sistema Operacional
Partição 1

Partição 2

Partição 3

25

 E as chamadas aos serviços do SO ?
 Isto é resolvido através da instrução chamada ao supervisor
(supervisor call )

Modo Usuário versus Modo Supervisor

 Modo Usuário:
 Execução das instruções disponíveis aos usuários
 Modo Supervisor:
 Todas as instruções permitidas (não é feita comparação com o
registrador limite)
 A passagem do modo usuário para o modo supervisor ocorre
quando da solicitação de um serviço

26

 Partições Fixas com Filas Múltiplas:
 processo é colocado em uma partição determinada. Se estiver ocupada,
aguarda na ﬁla;
 ou, processo é colocado na ﬁla da menor partição em que caiba
 Problema: partições não utilizadas

Memória Principal
Programas a
serem executados Sistema Operacional
Partição 1

Partição 2

Partição 3

27

 Partições Fixas com Fila Única:
 ﬁla única para todas as partições;
 processo é colocado na ﬁla da menor partição disponível em que caiba

Memória Principal

Programas a Sistema Operacional
serem executados Partição 1

Partição 2

Partição 3

28

 Problema:
 colocação de um programa pequeno em uma partição grande
 partições vazias por falta de “clientes”

 Uma tentativa de solução:
 correr toda a ﬁla antes de escolher o “cliente”
 Problema:
 discrimina pequenos processos

29

 Em sistemas em que os compiladores e montadores geram
apenas código absoluto, os processos podem executar em
apenas uma das partições, mesmo que outras estejam livres

Memória Principal
Programas a  Se os processos A e
serem executados B estivessem
Sistema Operacional executando e a
2 KB
C A Partição 1 partição 3 estivesse
livre, os processos C
5 KB e E não poderiam ser
E B Partição 2
executados
8 KB
D Partição 3

30

 Com a evolução dos compiladores, linkers e loaders, tornou-se
possível a geração de código relocável, permitindo que os
processos sejam carregados em qualquer uma das partições

Memória Principal  Se os processos A e
B terminarem de
Sistema Operacional executar, o processo
Programas a 2 KB
Processo C E pode ser carregado
serem executados e executado em
5 KB qualquer uma das
D E Processo A
6KB 3KB duas partições
8 KB
Processo B

31

 Problema da APE: fragmentação excessiva
 Fragmentação é o problema que surge quando pedaços de
memória ﬁcam impedidos de serem utilizados por outros processos.

Memória Principal

Sistema Operacional
Programas a Processo C 1 KB
serem executados
Processo A
D B 3 KB
6KB 4KB
Processo E
3 KB

32

 Visa reduzir o problema da fragmentação e, consequentemente,
aumentar o grau de compartilhamento da memória
 É eliminado o conceito de partições de tamanho ﬁxo
 Na APD, cada processo utiliza o espaço necessário, passando
esse pedaço a ser a sua partição

Memória Principal

Sistema Operacional Sistema Operacional
4 KB
Programas a Processo B
serem executados 11 KB
1 KB
Processo C
3 KB
A E C B Processo E
2KB 3KB 1KB 4KB 2 KB
Processo A 1 KB

33

Memória Principal
0
Fila de processos
Sistema Operacional Processo Tamanho Tempo
400K
P1 600K 10
P2 1000K 5
P3 300K 20
P4 700K 8
P5 500K 15
2560K

34

0 0 0 0 0

400K
so 400K
so 400K
so 400K
so 400K
so

P1 P1 P1 P5
900K
1000K 1000K 1000K 1000K 1000K

P2 aloca P4 P1 P4 aloca P4
P2 termina a P4 termina a P5
1700K 1700K 1700K
2000K 2000K 2000K 2000K 2000K
2300K
P3 2300K
P3 2300K
P3 2300K
P3 2300K
P3
2560K 2560K 2560K 2560K 2560K

35

 Neste esquema, a fragmentação começa a ocorrer quando os
processos forem terminando e deixando espaços cada vez
menores na memória, não permitindo o ingresso de novos
processos

Memória Principal  Apesar da
existência de 8
Sistema Operacional
Programa a Kbytes de
4 KB
ser executado memória livre, o
1 KB processo D não
D Processo C poderá ser
6KB 3 KB
carregado
2 KB
Processo A 1 KB

36

 Soluções para a fragmentação:
 Primeira: aglutinar espaços livres adjacentes em um único espaço
de tamanho maior. No exemplo anterior, caso o processo C termine,
teríamos:

Memória Principal Memória Principal

4 KB
1 KB 8 KB
Processo C
3 KB

2 KB 2 KB
Processo A 1 KB
Processo A 1 KB

37

 Como gerenciar? (ver tópico Gerência de Uso da Memória)
 Mapa de Bits
 Lista de partições ocupadas
 Lista de partições livres
 Ao término do processo, um “buraco” pode ser:
– adicionado à lista de partições livres (caso a nova partição
livre esteja cercada de partições ocupadas)
– incorporada a uma das partições da lista de partições livres
(caso o “buraco” seja adjacente a uma partição livre)

 Não resolve completamente o problema (pode haver buracos
pequenos...)

38

 Segunda: fazer uma relocação de todas as regiões ocupadas
(movimento de todos os processos), eliminando todos os espaços
entre elas e criando-se uma única área livre contígua. Este método
é conhecido como compactação.


1 KB
4 KB Processo C
2 KB
1 KB Processo A
Processo C
3 KB
8 KB
2 KB
Processo A 1 KB

39

 Problemas:
 Consumo de recursos (grande quantidade de área em disco e
de tempo de processador consumido em sua implementação)
 Sistema necessita parar (pode ser desastroso para sistemas de
tempo real)

40

Modos de Compactação
0 0 0 0

300K
so 300K
so 300K
so 300K
so
P1 P1 P1 P1
500K 500K 500K 500K
600K P2 600K P2 600K P2 600K P2
800K
P3
400K P4
1000K P4 1000K 900K
1200K
P3 1200K 1200K
P3
300K
1500K 1500K

P4 900K 900K P4
1900K 1900K
2100K
200K 2100K 2100K 2100K
P3
Configuração 600K 400K 200K
inicial transferidos transferidos transferidos
41

 Fragmentação Externa:
 existe memória suﬁciente para satisfazer uma requisição, mas ela não
é contínua
 Estatisticamente, de cada N blocos alocados, N/2 blocos são
perdidos devido à fragmentação (33%)
 Fragmentação Interna:
Memória Principal
 memória interna a uma partição,
Sistema Operacional
mas que não é usada. Ex.:
Processo 1
18464
requisição de 18462 bytes
bytes

 Uma solução para fragmentação
Processo 43

externa é compactação

42

 Memória subdividida em unidades de alocação
 A cada unidade de alocação  1 bit no mapa
 Se bit é 0, esta parte da memória está livre
 Se bit é 1, está ocupada
 Tamanho da unidade de alocação versus tamanho do mapa
 Se a unidade de alocação for de 4 bytes  a parte da memória gasta
com este mapa é de apenas 3%
 Se a unidade for maior  tamanho do mapa é menor, mas aumenta o
desperdício de memória (fragmentação interna)
 Desvantagem: para encontrar k unidades de alocação livres 
percorrer mapa inteiro procurando k bits iguais a zero  muito
lento!

43

(a) Parte da memória (b) Mapa de bits correspondente
(c) Lista ligada correspondente
44

 Lista ligada de segmentos alocados e de segmentos livres
 Ordenação por endereços
 rápida atualização quando do término/remoção da memória
 Possíveis combinações para a conclusão de um processo X:

A X B A B
A X após o término A
X B de X fica B
X
 Com listas duplamente encadeadas a tarefa é ainda mais simples!

45

 Como atender uma requisição de tamanho n a partir de uma lista
de buracos livres?
 Estratégias de alocação de memória para escolher o ponto em que
deve ser carregado um processo recém criado ou que veio do disco
por troca (swapped in)
 Listas separadas para processos e buracos:
 mais rápido na busca por buracos
 mais lento na liberação de memória
 variante: os próprios buracos podem ser usados para implementar
a lista de partições livres
 First-ﬁt:
 A lista de partições livres é percorrida e a primeira partição
suﬁcientemente grande para o pedido é escolhida
 A lista pode ser mantida em ordem aleatória ou ordenada em ordem
crescente de endereço
 rápido
46


3 KB Processo F 2 KB

F Processo C Processo C
1 KB 4 KB

Processo A 2 KB Processo A

47

 Next-fit:
 Idêntico ao First-fit com a diferença que a busca se inicia a partir do
último ponto em que encontrou um buraco
 desempenho ligeiramente mais lento que o First-fit
 Best-fit:
 A lista de partições livres é percorrida e a menor partição
 A lista é ordenada em ordem crescente de tamanho
 lento se a lista não estiver ordenada (teria que percorrer a lista
inteira)
 desempenho ruim devido a muitos buracos pequenos
(fragmentação externa)

48


3 KB

1 KB 4 KB

Processo A Processo A
2 KB
Processo F 1 KB

49

 Worst-fit:
 A lista de partições livres é percorrida e a maior partição
 A lista é ordenada em ordem decrescente de tamanho
 diminui um pouco o problema da fragmentação
 Quick-fit:
 Listas separadas para alguns tamanhos mais comuns especificados
(por exemplo, uma fila para 2K, outra para 4K, outra para 8K, etc)
 busca por buraco rápida
 entretanto, a liberação de memória é lenta (reagrupar buracos e
modificá-los de fila)

50


3 KB

1 KB 4 KB Processo F
3 KB

Processo A 2 KB Processo A

51

 Mesmo com o aumento da eficiência da multiprogramação e da
gerência de memória, muitas vezes um programa não podia ser
executado por falta de uma partição livre disponível
 Em todos os esquemas apresentados anteriormente, um
programa permanecia na memória principal até o final de sua
execução, inclusive nos momentos em que esperava por um
evento, como uma operação de E/S
 Uma solução é a técnica de swapping, cujo objetivo é o de
liberar espaço na RAM para que outros processos possam ser
carregados e executados
 Backing store – disco rápido e grande o suficiente para acomodar
cópias de todas as imagens de memória para todos os usuários
 Versões modificadas de swapping são encontradas em vários
sistemas (p.ex., UNIX, Linux e Windows).

52

 Neste esquema, o SO escolhe um programa residente na
memória principal, levando-o da memória para o disco (swap
out)

Memória Principal

Sistema Operacional
Processo C
H Processo A
4 KB
Processo G
Processo B A

53

 Posteriormente, o processo retorna para a memória principal
(swap in), como se nada tivesse ocorrido

Memória Principal

Sistema Operacional
Processo C
Processo H
Processo G
A Swap in

54

 Mapeamento de espaço lógico em espaço físico de
endereçamento, em tempo de carregamento, torna ineﬁciente
recarregar o processo em outra região física diferente da do
primeiro carregamento
 Solução:
 Introdução de hardware que faça o mapeamento durante a
execução do processo: interceptador de endereços lógicos que
soma um valor base aos mesmos, produzindo o endereço físico
 Não há mais necessidade da tabela de endereços relocáveis

55

 Relocação Estática:
 Mapeamento em tempo de carregamento

 Relocação Dinâmica:
 Mapeamento durante a execução

 Endereço Lógico = Endereço Virtual
 É o valor de um deslocamento em relação ao início do programa

56

 Exemplo de hardware para mapeamento
 Contém o endereço físico onde foi carregado o início do programa

Registrador Base Instrução

Operação End. Lógico

+

Endereço Físico = Endereço Real
(disponível na memória)

57

 Proteção em relocação dinâmica
 Consiste em comparar o endereço físico com o comprimento do
programa
 Instrução de chamada ao supervisor
 Separação entre dados e instruções
 Permite o compartilhamento de instruções por dois ou mais
processos
 Permite duplicar o tamanho máximo do espaço lógico
 Exige a duplicação do hardware necessário para relocação e
proteção

58

 Garantir espaço em disco sempre que algum processo é
swapped out
 Os algoritmos para gerenciar o espaço alocado em disco para
swapping são os mesmos de gerência da memória principal
 Em alguns sistemas, isto é feito somente no momento da
criação do processo e tal espaço permanece reservado
 A única diferença é que a quantidade de espaço reservado no
disco deve ser um múltiplo do tamanho dos blocos do disco

59

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