SO-07 Gerenciamento de Memória: Memória Virtual

Gerenciamento de Memória

Memória Virtual

 Introdução
 Paginação sob Demanda
 Substituição de Páginas
 Algoritmos de Substituição de Páginas
 Procedimentos de Armazenamento de Páginas
 Política de Alocação Local versus Alocação Global
 Thrashing
 Working Set (Conjunto de Trabalho)
 Freqüência de Interrupção de Página Ausente
 Tamanho da Página
 Tamanho da TLB
 Bloqueio de Páginas na Memória
 Estrutura de Programas
 Exemplos de Sistemas Operacionais

Eduardo Nicola F. Zagari
2
Memória Virtual

 Todas as estratégias de gerência até agora mantêm processos
inteiros na memória
 Em muitos casos, não é necessário o programa inteiro estar em
memória:
 código de tratamento de erro
 vetores, listas e tabelas geralmente alocam mais memória do que
usam
 certas opções e características de programas raramente são
usadas
 Vantagens de executar programas parcialmente em memória:
 programa não é limitado pelo tamanho da memória
 um maior número de processos podem ser carregados ao mesmo
tempo  aumentando a utilização da CPU
 menor necessidade E/S para carregar ou fazer swapp de processos

3
Memória Virtual

 Técnica de Memória Virtual: separação da memória lógica de
usuário e memória física
 Somente parte dos programas precisam estar carregados na
memória para execução
 Espaço de endereçamento lógico pode, portanto, ser muito maior
que o espaço de endereçamento físico
 Permite que espaços de endereçamento sejam compartilhados por
vários processos
 Possibilita criação de processos de forma mais eﬁciente
 Memória virtual pode ser implementada via:
 Paginação por demanda
 Segmentação por demanda

4
Memória Virtual

Memória Virtual
Página 0 MAIOR que
Página 1 Memória Física
Página 2

Memória Física

Mapa da Memória

Página n
Memória Virtual
Memória Secundária

5
Memória Virtual

 Similar ao sistema de swapping, mas aplicado somente à página
requisitada e não a todo o processo
 Traz uma página para a memória somente quando ela é requisitada
 Menor necessidade de I/O
 Menor necessidade de memória
 Respostas mais rápidas
 Maior número de usuários
 Página requisitada ⇒ referência para ela
 Referência inválida ⇒ aborta
 Ausente da memória ⇒ traz para memória
 Suporte de hardware : bit de presença/ausência (ou válido/inválido)
 Page-fault (trap) : interrupção por falta de página

6
Memória Virtual

 Um bit de presença/ausência é associado com cada entrada da tabela
de página: (0 ⇒ ausente da memória , 1 ⇒ presente na memória)
 Inicialmente o bit é ajustado para 0 em todas as entradas
 Exemplo:  # Bloco
Bit de presença/ausência
1
1
1
1
0
…

0
0
Tabela de Páginas
 Durante uma tradução de endereço, se o bit de presença/ausência na
entrada da tabela de página estiver igual a 0 ⇒ FALTA DE PÁGINA
(page fault).

7
Memória Virtual

bloco bit presença/ausência
0
1
0 Página A 0 4 p 2
1 Página B 1 a 3
2 Página C
3 Página D
2 6 p 4 Página A
4 Página E 3 a 5
5 Página F 4 a 6 Página C
6 Página G 7
7 Página H
5 9 p
8
6 a
Memória Virtual
A B 9 Página F
7 a Memória Física
Tabela de Páginas
C D E
F G H
Memória Secundária
8
Memória Virtual

3
S.O.
2
1
Vá para X
a
6

Bloco Livre
Tabela de Páginas 4

5
Memória Física
9
Memória Virtual

1 Referência: veriﬁca na tabela do processo se referência é válida

2 Trap: se a referência for inválida ERRO; se for válida, mas a página

não está na memória, gera interrupção de falta de página
3 Página na memória secundária: localiza um bloco livre


4 Carrega página: realiza uma operação no disco (E/S) para ler a

pág. desejada e carregá-la p/ o bloco livre
5 Modiﬁca tabela de páginas: terminada a op. de E/S, atualiza a

tabela p/ indicar que a pág. está na memória
6 Reinicia execução da interrupção: como o estado do processo foi

salvo, reinicia a interrupção que causou a falta de página (endereço
de pág inexistente na mem.)

10
Memória Virtual

 Paginação por demanda pura:
 não levar nenhuma página para memória até que ela seja
requisitada

Queda de desempenho?

Padrão de localidade de referência
Número da página

Tempo de execução

11
Memória Virtual

bloco bit presença/ausência
PC
3 p
0 H p
4 0 S.O.
1 Carregar M
2 J 5 p 1
3 M a 2 D
Memória Lógica
Tabela de Páginas 3 H B
do usuário 1 do usuário 1 4 Carregar M
0 A 6 p 5 J M
1 B 6 A
2 D
a E
7
3 E 2 p
Memória Física
Memória Lógica 7 p
do usuário 2
Tabela de Páginas
do usuário 2 12
Memória Virtual

 Substituição de página: quando ocorre uma falta de página e não
existe nenhum bloco disponível, um bloco que não está sendo
usado no momento é selecionado e liberado. A rotina de
tratamento de uma page-fault:
1. Localizar a página desejada no disco
2. Localizar um bloco livre:
 se existir um bloco livre, usá-lo
 caso contrário, usar um algoritmo de substituição de página para
selecionar a que será substituída
 Salvar a página a ser substituída no disco e atualizar as tabelas
de blocos e páginas de acordo
3. Ler a página desejada no “novo” bloco e atualizar as tabelas
4. Reiniciar o processo do usuário

13
Memória Virtual

 Se não existe nenhum bloco livre  note que são necessárias 2
transferências de página
 para reduzir esta sobrecarga, usa-se um bit de modificação
 ele é ativado pelo hardware sempre que qualquer palavra ou
byte desta página é alterado, de forma a indicar que a página
foi modificada
 se a página é selecionada para ser substituída:
– bit de modificação ativado  deve ser gravada no disco
– bit de modificação não ativado  não é necessário ser
regravada no disco (o bloco é sobreposto)

14
Memória Virtual

 Menor taxa de falta de página
 Ex: seqüência de referências a endereços de memória

0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0101, 0611, 0102, 0103,

0104, 0101, 0610, 0102, 0103, 0104, 0101, 0609, 0102, 0105

 Se cada página tiver 100 bytes, os acessos serão às pags.:
1, 4, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1
Número de interrupções
de páginas ausentes

Número de blocos

15
Memória Virtual

 Algoritmo FIFO (First-In, First-Out) ou PCPS (Primeiro a Chegar,
Primeiro a Sair)
 Algoritmo Ótimo
 Algoritmo NRU (Not Recently Used)
 Algoritmo LRU (Least Recently Used)
 NFU (Not Frequently Used)
 Aging
 Algoritmo da Segunda Chance
 Algoritmo do Relógio
 Algoritmo MFU

16
Memória Virtual

 A página que foi primeiro utilizada (ﬁrst-in) será a primeira a ser
retirada (ﬁrst-out)

 Fila (lista encadeada) de páginas
Início: Página mais velha
Fim: Página mais nova

 Falta de página
Retira página do início
Insere página nova no fim

 Simples
 A princípio: razoável que a página há mais tempo no working set
deva ser retirada 1o  mas isto nem sempre é verdade...

17
Memória Virtual

7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
17 7 7 2 2 2 4 4 4 0 0 0 7 7 7
2 0 0 0 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0
3 1 1 1 0 0 0 3 3 3 2 2 2 1

15 faltas de páginas

18
Memória Virtual

0 1 2 3 0 1 4 0 1 2 3 4
0 1 2 3 0 1 4 4 4 2 3 3
3
blocos 0 1 2 3 0 1 1 1 4 2 2
0 1 2 3 0 0 0 1 4 4
F F F F F F F F F = 9 fault pages
0 1 2 3 0 1 4 0 1 2 3 4
0 1 2 3 3 3 4 0 1 2 3 4
4 0 1 2 2 2 3 4 0 1 2 3
blocos 0 1 1 1 2 3 4 0 1 2
0 0 0 1 2 3 4 0 1
F F F F F F F F F F = 10 fault pages
19
Memória Virtual

 Trocar a página que não será usada no período mais longo
 Desempenho – deseja-se um algoritmo que resulte em um
número mínimo de faltas de páginas (page faults).

7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
17 7 7 2 2 2 2 2 7
2 0 0 0 0 4 0 0 0
3 1 1 3 3 3 1 1


20
Memória Virtual

 Problema: saber quando cada página será referenciada
 Impossível de se implementar

 Utilidade: Comparação com relação aos demais algoritmos

21
Memória Virtual

 Hardware: 2 bits de estado associados a cada página
 Bit R (referência): ativado quando a página é referenciada
 Bit M (modiﬁcação): ativado quando ela é modiﬁcada

bits de proteção
bit de modificação bit presença/ausência

bit de referência bloco

entrada da tabela de páginas

 Bits ativados por hardware e desativados por software

22
Memória Virtual

 Se o hardware não dispõe dos bits R e M:
Simulados por software
 Processo iniciado  Ausente na memória (tabela de páginas
zerada)
 Referência a uma página  falta de página
 SO ativa bit R (tabela interna), atualiza tabela de páginas, seta
proteção para “Somente Leitura” e retoma instrução
 Se instrução de escrita  nova falta de página
 SO ativa bit M e muda modo da página para “Leitura/Escrita”

23
Memória Virtual

 Escolhe a página que não foi recentemente utilizada
 Algoritmo:
 Processo iniciado  bits de página (R e M) iguais a zero
 Periodicamente, bit R é zerado
 Falta de página  SO inspeciona páginas e as classifica:
 Classe 0: não referenciadas, não modificadas
Atenção
 Classe 1: não referenciadas, modificadas
 Classe 2: referenciadas, não modificadas
 Classe 3: referenciadas, modificadas
 NRU remove página aleatória da classe não vazia de numeração
mais baixa

24
Memória Virtual

 Seleciona a página usada há mais tempo, isto é, o objetivo é
retirar aquela que está há mais tempo sem ser referenciada
 Realizável  alto custo

Início: Página usada mais recentemente
 Manter lista
Fim: Página usada menos recentemente

diﬁculdade: atualizar a cada referência à memória

25
Memória Virtual

7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
17 7 7 2 2 4 4 4 0 1 1 1
2 0 0 0 0 0 0 3 3 3 0 0
3 1 1 3 3 2 2 2 2 2 7


26
Memória Virtual

 Implementação por hardware: 2 maneiras
 Contador: um contador é adicionado à CPU e incrementado
automaticamente a cada referência à memória. Toda vez que é feita
uma referência à página, o conteúdo do contador é copiado para o
campo instante-de-uso na entrada da tabela de páginas referente à
página acessada.
 seleciona-se a página com o menor contador
 Matriz nxn (onde n é o número de blocos): toda vez que a página k é
referenciada
colocam-se todos os bits da linha k em 1
depois, zeram-se todos os bits da coluna k
 em cada instante, a página LRU corresponde à linha com o
menor valor binário armazenado

27
Memória Virtual

 Considere a seguinte ordem de referências às paginas

0 1 2 3 2 1 0 3 2 3
0123 0123 0123 0123 0123
0 0111 0011 0001 0000 0000
1 0000 1011 1001 1000 1000
2 0000 0000 1101 1100 1101
3 0000 0000 0000 1110 1100
0 0000 0111 0110 0100 0100
1 1011 0011 0010 0000 0000
2 1001 0001 0000 1101 1100
3 1000 0000 1110 1100 1110
28
Memória Virtual

 Implementação por Pilha – mantém uma pilha do número das
páginas em uma lista duplamente encadeada da seguinte forma:
 Página referenciada:
 Mova-a para o topo
 Requer que 6 ponteiros sejam atualizados
 Não há a necessidade de busca para substituição

29
Memória Virtual

30
Memória Virtual

 requer um contador em software associado a cada página
 a cada interrupção de tempo, SO faz

Cont ← Cont + bit R
 Falta de página  SO escolhe página com menor Cont

 Problema: nunca esquece referências anteriores

31
Memória Virtual

 Algoritmo Aging (Envelhecimento): modiﬁcação do NFU
 Contadores são sempre deslocados um bit antes de serem
somados com o bit R
 Bit R é adicionado ao bit mais à esquerda do contador, ao invés de
ser somado ao mais à direita
 Falta de página  SO escolhe página com menor Cont

32
Memória Virtual

Bits R Bits R Bits R Bits R Bits R
das páginas das páginas das páginas das páginas das páginas
101011 110010 110101 100010 011000

Cont 0
10000000 11000000 11100000 11110000 01111000
Cont 1
00000000 10000000 11000000 01100000 10110000
Cont 2
10000000 01000000 00100000 00010000 10001000
Cont 3
00000000 00000000 10000000 01000000 00100000

Cont 4
10000000 11000000 01100000 10110000 01011000
Cont 5
10000000 01000000 10100000 01010000 00101000

33
Memória Virtual

 É um algoritmo FIFO modificado
 Possui um bit de referência (bit R) que indica se página foi
referenciada
 Se página mais antiga possui R = 0 (não foi referenciada)
 ela é escolhida
 Caso contrário,
 R é feito zero (R ← 0) e ela vai para o final da fila
 A busca continua

34
Memória Virtual

Instante: 0 3 7 8 12 14 15 18
Falta de Página
A B C D E F G H no instante t = 20
Bit R = 1

3 7 8 12 14 15 18 20
B C D E F G H A
Bit R = 0
 Retira página velha não referenciada no último intervalo de
tempo
 Problema: Se todas as páginas foram referenciadas, então
algoritmo degenera para um FIFO puro

35
Memória Virtual

 Semelhante ao da Segunda Chance, mas mais eﬁciente
 Falta de Página  inspeciona página para a qual o ponteiro está
apontando:
 Se bit R = 0  retire a página
 Se bit R = 1  faça R ← 0 e avance o ponteiro

A
H B

G C

F D
E

36
Memória Virtual

 Escolhe a página mais freqüentemente usada
 Argumento: uma página com contador de valor baixo, foi,
provavelmente, trazida para a memória recentemente e ainda
será usada

37
Memória Virtual

 Reserva de blocos
 não é necessário esperar que a página selecionada seja transferida
para o disco
 Lista de páginas modiﬁcadas
 automação através do dispositivo de transferência de páginas
 minimiza probabilidade da página selecionada não estar atualizada
no disco
 Manter registros de qual página está no conjunto de blocos
reservados
 pode-se evitar E/S, aproveitando-se a antiga página contida na
reserva de blocos

38
Memória Virtual

 Substituição Global:
 permite alocar para um determinado processo qualquer bloco da
memória, mesmo que já esteja alocado a outro processo
 Desempenho do processo depende do comportamento dos demais
 Substituição Local:
 o bloco alocado a um processo deve pertencer ao conjunto de
blocos reservado para este processo
 Poucos blocos: pode provocar queda de desempenho, mesmo
havendo blocos livres ou usados com menos freqüência
 Muitos blocos: pode provocar desperdício
 Na prática os algoritmos globais funcionam melhor

39
Memória Virtual

Idade
0 A0 10 A0 A0
1 A1 7 A1 A1
2 A2 5 A2 A2
3 A3 4 A3 A3
4 A4 3 A6 A4
5 B0 9 B0 B0
6 B1 4 B1 B1
7 B2 6 B2 B2
8 B3 2 B3 A6
9 B4 5 B4 B4
10 B5 12 B5 B5
11 C1 5 C1 C1
12 C2 6 C2 C2
Memória Física Substituição Local Substituição Global

40
Memória Virtual

 Considere que o sistema monitore a utilização da CPU
 Se for baixa  aumenta o grau de multiprogramação
 Considere também que é usado um algoritmo de trocas de páginas
global
 Agora suponha que um processo entre em uma nova fase, que
precise de mais páginas
 Ele “rouba” blocos dos outros processos, aumentando a taxa de falta
de páginas, conseqüentemente, diminuindo a utilização da CPU 
realimentando o ciclo
 Dizemos que há thrashing (paginação excessiva) qdo ele está
consumindo mais tempo em substituição de páginas do que na
execução do seu código

41
Memória Virtual

Paginação Excessiva
Utilização da CPU

Grau de Multiprogramação

42
Memória Virtual

 Por que a Paginação funciona? 
Princípio (Modelo) da Localidade
 Processo migra de uma localidade para outra.
 Localidades podem se sobrepor.
 Inicialização de um processo
 Paginação sob Demanda
 Funciona devido à localidade de referências
 Por que então ocorreria thrashing ? 
Σ tamanhos das localidades > tamanho total da memória

43
Memória Virtual

44
Memória Virtual

 Para prevenir thrashing deve-se fornecer aos processos o número
de blocos que ele precisa

Mas o que fazer quando um processo sofre swap in?
 Conjunto de Trabalho
 É o conjunto de páginas referenciadas por um processo durante um
determinado intervalo de tempo
 É o conjunto de páginas constantemente referenciadas pelo processo
e que deve permanecer na memória para que ele execute de forma
eﬁciente

45
Memória Virtual

 Modelo do Conjunto de Trabalho:
 SO mantém controle sobre o conjunto de trabalho dos processos
 SO carrega antes as páginas do CT de um processo, ao colocá-lo
em execução, reduzindo o no de falta de páginas (pré-paginação)

Quais páginas devem fazer parte do CT de um processo?
 Uma forma de implementação é através do algoritmo aging:
 qualquer página contendo um bit 1 entre os n bits mais signiﬁcativos
do contador será considerada membro do CT do processo à qual
ela pertence

46
Memória Virtual

47
Memória Virtual

 SO monitora a quantidade de páginas (Di) nos conjuntos de
trabalho de todos os processos
 Se Σi (CTi) for maior que o no de blocos livres  thrashing
 Neste caso, SO seleciona um processo para sofrer swapping

 Working Set grande
Menor taxa de falta de página
Menor número de processos na memória

Alocação local: número de páginas iguais ou número de
páginas proporcionais (nem considera thrashing)
Alocação global: tamanho do CT pode variar muito mais
rápido do que os bits de envelhecimento
Problema de thrashing persiste...
48
Memória Virtual

 Para evitar o thrashing: Alg. PFF (Page Fault Frequency)
 Controla diretamente a taxa de interrupções por F.P.
 F.P. muito alta  processo necessita de mais blocos
 F.P. muito baixa  processo está com blocos em excesso
 Estipula-se um limite máximo e um limite mínimo para a taxa de
interrupções por F.P.
 Processos acima do máx  recebem mais blocos
 Processos abaixo do mín  removem-se blocos
 Se a taxa de interrupções cresce e não há blocos disponíveis 
seleciona-se um processo e o suspende  blocos liberados são
redistribuídos ou colocados à disposição
 Swapping usado para redução de demanda potencial por memória

49
Memória Virtual

Aumentar
Taxa de interrupções

número de blocos
de página ausente

Limite Máximo

Limite Mínimo

Número de blocos Diminuir
número de blocos

50
Memória Virtual

 Tamanho é sempre potência de 2 (29 - 214 bytes)
 SO pode escolher tamanho:
 hardware projetado para pags. de 512 bytes
 SO enxerga pag. 0 e 1, 2 e 3, ... como páginas de 1k, alocando
sempre 2 blocos consecutivos na memória para elas
 Tamanho ótimo:
 Páginas pequenas:
 Menor desperdício: em média 1/2 página é perdida com
fragmentação interna no ﬁm de um segmento
 Reduz a possibilidade de espaços inativos dentro de uma
página

51
Memória Virtual

 Páginas grandes:
 Menor número de páginas  menor tabela de páginas
 Transferir páginas pequenas toma quase tanto tempo quanto
transferir páginas grandes para o disco (movimento da cabeça
e latência rotacional)
 Menor a taxa de falta de páginas
 Tamanho ótimo: 1448 bytes (valor teórico)
 A maioria dos computadores comerciais têm páginas de 512 a
8k bytes
 Historicamente, este valor tem aumentado...

52
Memória Virtual

 Alcance da TLB - A quantidade de memória acessível a partir
da TLP.

 Alcance da TLB = (Tamanho da TLB) X (Tamanho da Página)

 Idealmente, o Conjunto de Trabalho de cada processo deveria
ser armazenado inteiramente na TLB.

53
Memória Virtual

 Considere o exemplo:
 Processo emite chamada de sistema de E/S
 Processo é suspenso
 Novo processo gera falta de página
 Se alocação global  existe chance da página escolhida para ser
removida ser a página contendo o buffer de E/S
 Como o DMA (acesso direto) não tem como identiﬁcar em que
página está escrevendo  inconsistência

 Primeira Solução:
 Operações de E/S usarem um buffer dentro do kernel  a cópia
pode resultar em uma sobrecarga inaceitável

54
Memória Virtual

55
Memória Virtual

 Segunda Solução:
 Bloquear páginas envolvidas em E/S, não permitindo que sejam
removidas durante a operação de E/S  bit de bloqueio
 Outro uso do bit de bloqueio:
 Processo provoca interrupção por falta de página
 Página é carregada
 Processo volta para a ﬁla de pronto
 Outro processo (de maior prioridade) ganha a CPU e provoca falta
de página
 Escolhe página não referenciada e nem modiﬁcada: A candidata
perfeita  a própria página do processo de baixa prioridade

56
Memória Virtual

 Paginação por demanda foi projetada para ser transparente aos
programas de usuário, mas...
 Considere páginas de 1024 bytes. Para iniciar com ʻaʼ cada
elemento de uma matriz de 1024 x 1024:

char A[1024][1024];

for (j=0; j<1024; j++) {
char A[1024][1024];
for (i=0; i<1024; i++) {
A[i][j] = ‘a’; for (i=0; i<1024; i++) {
} for (j=0; j<1024; j++) {
} A[i][j] = ‘a’;
}
}

57
Memória Virtual

 A matriz é armazenada por linhas: A[0][0], A[0][1], A[0][2], ... ,
A[0][1024], A[1][0], A[1][1], ... , A[1024][1024]
 Se a página tem tamanho 1024 bytes  cada linha ocupa uma
página

Taxa de faltas =

128 linhas X 128 colunas Taxa de faltas =

16.384 faltas 128 colunas

128 faltas

58
Memória Virtual

 Windows NT

 Solaris 2

59
Memória Virtual

 Usa paginação sob demanda com clustering. Clustering traz
para memória páginas “ao redor” da página faltante.
 São atribuídos aos processos um Conjunto de Trabalho
Mínimo e um Conjunto de Trabalho Máximo.
 Conjunto de Trabalho Mínimo é o menor número de páginas que
o processo tem garantido possuir em memória.
 Conjunto de Trabalho Máximo é o maior número de páginas que
ele poderia possuir em memória ao mesmo tempo.
 Quando a quantidade de memória livre no sistema cai abaixo de
um limiar (threshold), o módulo chamado automatic working
set trimming é executado para restabelecer a quantidade de
memória livre.
 Working set trimming remove páginas dos processos que têm
páginas acima do seu Conjunto de Trabalho Mínimo (em
excesso).

60
Memória Virtual

 Mantém uma lista de páginas livres para atribuir aos processos
em falta. 

 Lotsfree – parâmetro limiar para começar a paginação. 

 Paginação é executada pelo processo pageout. 

 Pageout busca páginas usando o algoritmo do relógio
modiﬁcado. 

 Scanrate é a taxa na qual as páginas são buscadas. Ela varia
de slowscan para fastscan.

 Pageout é chamado mais ou menos freqüentemente
dependendo da quantidade de memória livre disponível.

61
Memória Virtual

62
Memória Virtual

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