Gerenciamento de Memória (Algoritmos de Substituição de Páginas) Prof. Alexandre Monteiro Recife

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Algoritmos de Substituição de Página Como dito anteriormente, quando ocorre uma falha de página, o Sistema Operacional deve selecionar uma das molduras para disponibilizar para a página não mapeada. Se a página a ser retirada da moldura tiver sido modificada, ela deve ser atualizada em disco. Caso contrário, a página pode ser retirada da moldura, ou seja, da memória principal, sem necessitar de atualização em memória. A página escolhida é, comumente, chamada de página vítima.

Algoritmos de Substituição de Página A escolha aleatória de uma página vítima pode influenciar diretamente o desempenho do sistema. O ideal seria retirar uma página não modificada e que não é utilizada constantemente. uma página modificada precisa ser copiada para disco, mas uma não modificada pode ser sobrescrita se for retirado uma página muito utilizada, é provável que seja logo referenciada e necessite voltar para a memória principal, gerando novamente uma falha de página. Para a escolha de qual página será retirado da memória, o algoritmo de substituição de páginas determina qual página deve ser removida e usa as informações estatísticas contidas nas tabelas de páginas, que serão descritos a seguir.

Algoritmos de Substituição de Páginas

O Algoritmo de Substituição de Página Ótimo ou Ideal Substitui a página que será acessada no futuro mais remoto Infelizmente, não é viável na prática, pois exigiria um conhecimento sobre todos os acessos futuros. Estimada através de... registro do uso da página em execuções anteriores do processo ... apesar disto ser impraticável

O Algoritmo de Substituição de Página Não Usada Recentemente (NUR) Cada página tem os bits (R) Referenciada / Acessada e (M) Modificada/Alterada 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

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

Algoritmo de Substituição de Página Segunda Chance (SC) Operação do algoritmo segunda chance 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 (verificado se seu bit de referência tenha valor 1, caso ele tenha valor 1, seu valor é mudado para 0 e esta página NÃO é retirada, é tratada como mais recentemente carregada)

Algoritmo de Substituição de Página Relógio Todos as páginas carregadas estão em uma lista circular. Ponteiro aponta para a página P15, a próxima página ser testada a partir da página P14. Note neste algoritmo, que a próxima página que será retirada não será nem as páginas 15, 16, 1 e 2, pois seus bits de referência tem valores 1. a próxima vítima será a página 3 Alternativa para o algoritmo da 2a. Chance (sem necessidade de manipular fila)

Menos Recentemente Usada (MRU) ou LRU (Least Recently Used) 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

LRU A implementação do algoritmo LRU é muito custoso, segundo Tanenbaum, pois é preciso manter uma lista encadeada de todas as páginas na memória, com as páginas mais recentemente utilizadas na frente e as menos recentemente utilizadas no fundo. Essa lista deve ser atualizada a cada referência de página, o que pode gerar uma grande modificação na lista. Imagine que, uma página do fim da lista (pouco referenciada) seja referenciada. É preciso, então deslocar esta página para o início da fila.

MRU usando matrizes HW especial que mantém uma matriz n x n, onde n é o número de molduras. Inicialmente todos os bits da matriz são 0. Sempre que a moldura k é referenciada, o hardware seta todos os bits da linha k para 1, e depois zera todos os bits da coluna k para zero. Deste modo, a qualquer instante a linha com o menor valor binário é a menos recentemente usada.

Simulação do LRU em Software (1) LRU usando uma matriz – páginas referenciadas na ordem 0,1,2,3,2,1,0,3,2,3

Algoritmo NFU (Não Frequentemente Usado) Não Usada Frenquentemente Um contador por página na memória A cada tick, o S.O. percorre todas as páginas na memória e soma o bit R (0 ou 1) de cada página ao seu respectivo contador Na ocorrência de falta de página, a página c/ o menor contador é substituída Problema: o algoritmo nunca esquece (reseta) o contador

Envelhecimento (Aging) Simulação do LRU em Software O algoritmo do envelhecimento (aging) simula o LRU em software Note 6 páginas para 5 tiques de relógio, (a) – (e)

O Algoritmo de Substituição de Página do Conjunto de Trabalho (1)

O Algoritmo de Substituição de Página do Conjunto de Trabalho (2)

O Algoritmo de Substituição de Página WSClock Operação do Algoritmo WSClock Considera: Conjunto de Trabalho; Referenciadas e; Modificadas.

Revisão dos Algoritmos de Substituição de Página

Modelagem de Algoritmos de Substituição de Página – Anomalia de Belady (a) FIFO com 3 molduras de página (b) FIFO com 4 molduras de página P mostra quais referências de página causaram faltas de página

Algoritmos de Pilha Estado do vetor de memória, M, após cada item na cadeia de referências ter sido processado

A Cadeia de Distâncias Funções densidade de probabilidade para duas cadeias de distâncias hipotéticas

A Cadeia de Distâncias Cálculo da freqüência de faltas de página (PFF) o vetor C o vetor F

Questões de Projeto para Sistemas de Paginação Política de Alocação Local x Global (1) (a) Configuração original (b) Substituição local (c) Substituição global

Política de Alocação – Ultra-paginação Local x Global (Thrashing) Fenômeno que ocorre quando o gerenciador de memória fica sobrecarregado com cópias de páginas entre memória e disco. Alta frequência de faltas de página: ocorre quando um processo possui menos páginas na memória do que o seu conjunto de páginas em uso (working-set).

Controle de Carga Mesmo com um bom projeto, o sistema ainda pode sofrer paginação excessiva (thrashing) Quando o algoritmo PFF indica alguns processos precisam de mais memória mas nenhum processo precisa de menos Solução : Reduzir o número de processos que competem pela memória levar alguns deles para disco e liberar a memória a eles alocada reconsiderar grau de multiprogramação

Espaços Separados de Instruções e Dados Espaço de endereçamento único Espaços separados de instruções (I) e dados (D)

Páginas Compartilhadas Dois processos que compartilham o mesmo código de programa e, por conseqüência, a mesma tabela de páginas para instruções

Política de Limpeza Precisa de um processo que executa em background, um daemon de paginação Inspeciona periodicamente o estado da memória Verifica se página modificadas foram escritas em disco. Quando apenas algumas molduras de página estão disponíveis Seleciona páginas a serem removidas usando um algoritmo de substituição Pode ser implementada através de lista circular (relógio) com dois ponteiros Ponteiro da frente controlado pelo daemon de paginação Ponteiro de trás usado para substituição de página (como no do relógio)

Questões de Implementação Envolvimento do S.O. com a Paginação Quatro circunstâncias de envolvimento: Criação de processo determina tamanho do programa cria tabela de página (swap area = área de troca de disco) Execução de processo MMU reinicia tabela de páginas para novo processo TLB é esvaziada Ocorrência de falta de página determina endereço virtual que causou a falta descarta, se necessário, página antiga (política de limpeza) carrega página requisitada para a memória e aponta para instrução Terminação de processo Libera tabela de páginas, páginas, e espaço em disco que as páginas ocupam, caso não sejam compartilhadas.

Tratamento de Faltas de Página (1) Hardware desvia a execução para o núcleo (salva estado atual do processo na pilha) Salva conteúdo de registradores e outras informações voláteis SO determina a página virtual necessária que gerou a falta de página. SO checa validade de endereço, busca moldura de página na memória. Se moldura de página selecionada foi modificada (suja), salvá-la em disco

Tratamento de Faltas de Página (2) SO escreve a página modificada em disco e busca em disco página virtual referenciada Tabela de páginas é atualizada Estado da instrução que causou falta de página é recuperado e aponta para a instrução Processo que causou falta de página é escalado para executar Programa continua

Fixação de Páginas na Memória Memória virtual e E/S interagem ocasionalmente Processo emite chamada ao sistema para ler do disco para o buffer enquanto espera pela E/S, outro processo inicia ocorre uma falta de página buffer do primeiro processo pode ser escolhido para ser levado para disco Solução possível (Retenção de Páginas = Pinning) Fixação de páginas envolvidas com E/S na memória

Memória Secundária (a) Paginação para uma área de troca estática (b) Páginas alocadas dinamicamente em disco

Separação da Política e do Mecanismo Tratamento de faltas de página com paginador externo

Segmentação Divisão do espaço de endereçamento em um número de partições com tamanhos distintos Aproxima-se mais da visão do programador: um programa é uma coleção de segmentos de tamanho variável Os compiladores e montadores criam automaticamente os segmentos que constituem o programa Na carga do programa cada segmento recebe um número de segmento específico

Segmentação (1) Espaço de endereçamento unidimensional com tabelas crescentes Uma tabela pode atingir outra

Segmentação A memória lógica é constituída por um conjunto de segmentos, cada um com um nome e um tamanho (na prática, os segmentos são identificados por números e não por nomes) Páginas têm tamanho fixo, segmentação não. Uma posição da memória lógica é referida por um par (s, d) s é o número do segmento d é o deslocamento (offset ) dentro do segmento

Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente Segmentação (2) Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente

Segmentação Subrotina Pilha Sqrt Array X Programa Principal Espaço de Endereçamento Lógico do Processo

Segmentação É necessário mapear cada endereço lógico do tipo (s, d) para o endereços da memória física correspondente Para isso cada processo possui a sua tabela de segmentos A tabela de segmentos pode ser colocada em registradores rápidos ou na memória principal. Normalmente, é usado o esquema de memória associativa (na tabela associativa ficam os segmentos mais recentemente acessados e seus endereços)

Tabela de Segmentos

Segmentação Pode-se associar atributos aos segmentos, possibilitando assim uma proteção ou compartilhamento destes segmentos Bit de proteção associado a cada entrada da tabela de segmentos A segmentação facilita o compartilhamento entre usuários

Segmentação e Paginação Espaço endereçamento Paginação Espaço de endereçamento lógico é um espaço único, contínuo, cujos endereços vão desde zero até MAX (onde MAX = tamanho do programa menos 1) Segmentação Espaço de endereçamento lógico é formado por um conjunto de segmentos. Cada segmento é um espaço contínuo, cujos endereços vão desde zero até MAX (onde MAX = tamanho do segmento menos 1)

Segmentação e Paginação Qual o melhor? Discussão antiga, sem vencedores Fragmentação Paginação : apresenta fragmentação interna Segmentação : apresenta fragmentação externa Administração Paginação é mais simples Proteção (segurança) e compartilhamento Segmentação é melhor, pois: segmentos são unidades lógicas páginas são mais misturadas (dados, código)

Comparação entre paginação e segmentação

Sistemas Combinados Segmentação paginada (mais comum) Existem sistemas onde a paginação e a segmentação são usadas em conjunto, procurando tirar proveito de ambos os esquemas. Segmentação paginada (mais comum) Paginação segmentada (menos comum)

Segmentação Paginada

Paginação por demanda Um programa pode ser executado com poucas de suas páginas na memória Quando necessário, uma página é trazida do disco para memória e utilizada (demanda)

Paginação por demanda É uma extensão do mecanismo de paginação simples As páginas de um processo podem estar presentes na memória ou não. As páginas não presentes estão marcadas como inválidas Se uma página inválida é referida, o SO verifica se ela está em disco (page fault) ou se realmente é uma página fora do espaço lógico do processo

Implementação de Segmentação Pura (a)-(d) Desenvolvimento de fragmentação externa (e) Remoção da fragmentação via compactação

Segmentação com Paginação: MULTICS (1) Descritores de segmentos apontam para tabelas de páginas Descritor de segmento – números indicam tamanhos dos campos

Segmentação com Paginação: MULTICS (2) Um endereço virtual de 34 bits no MULTICS

Segmentação com Paginação: MULTICS (3) Conversão de um endereço MULTICS de duas partes em um endereço da memória principal

Segmentação com Paginação: MULTICS (4) Versão simplificada da TLB do MULTICS Existência de dois tamanhos de páginas torna a TLB real mais complicada

Segmentação com Paginação: Pentium (1) Memória virtial do Pentium suporta: • Paginação pura, segmentação pura, ou segmentação paginada • 16K segmentos independentes cada um com 232 palavras • 2 tabelas: Local Description Table (uma por processo), e Globaldescription Table (compartilhada por todos pprocessos) • Endereço base (so segmento) é carregado em registrador de CPU: CS (code segment) ou DS (data segment) • Cada segmento possui um dos 4 níveis de privilégio do Pentium:(kernel, system calls, sh.libraries, user programs) Um seletor do Pentium

Segmentação com Paginação: Pentium (2) Descritor de segmento de código do Pentium Segmentos de dados diferem ligeiramente

Segmentação com Paginação: Pentium (3) Conversão de um par (seletor, deslocamento) para um endereço linear Tamanho de página é 4K (12 bits). 20 bits da Base são usados para indexar a tabela de páginas.

Segmentação com Paginação: Pentium (4) Mapeamento de um endereço linear sobre um endereço físico Quando usado no modo paginação: A tabela de páginas é paginada, e endereço possui dois indices: (dir-index, page-index) Pentium possui um pequeno TLB que mantém os pares de índice recentes

Segmentação com Paginação: Pentium (5) Proteção no Pentium

Realocação dinâmica de memória é indispensável para multiprogramação; Cada processo deve ter o seu próprio mapeamento de memória; Memória Virtual (paginação) é provida na maioria dos S.O. modernos; Mas necessita de uma MMU (com um TLB), senão torna-se inviável; A depender o tamanho de página, pode-se precisar paginação em 2 (ou mais) níveis; Algoritmo de substituição de páginas - implementado no Gerente de Memória - , deve escolher as páginas usadas há mais tempo e não modificadas. Segmentação permite ao desenvolvedor controlar a gerência de memória.

Referências Sistemas Operacionais Modernos – 3ª Edição. A. Tanenbaum, 2008. Modern Operating Systems 3 e. Prentice-Hall, 2008.