Sistemas operativos. Tema 7: Gestión n de memoria

Transcripción

1 Sistemas operativos Tema 7: Gestión n de memoria

2 La memoria principal La memoria es el componente central en la arquitectura de un computador. A menudo, el único dispositivo de almacenamiento al que la CPU puede acceder directamente. Un vector de palabras,, cada una con su propia dirección n físicaf sica. La CPU lee instrucciones y lee o modifica datos de la memoria durante cada ciclo de instrucción. n. Las operaciones de E/S con DMA (acceso directo a memoria) escriben/leen datos en memoria. CPU Caché MP DMA

3 Gestión n de memoria Asignar y liberar espacio en memoria según n se necesite. La política empleada repercute en la utilización n de la CPU y los tiempos de respuesta del sistema. Reubicación: vinculación n del espacio de direcciones lógicasl de cada proceso con direcciones físicas f concretas. Seguir la pista de qué partes de la memoria están n siendo usadas y por qué procesos. Protección: impedir accesos (accidentales o malintencionados) a la memoria propia de otros procesos o del SO. Compartición: permitir el acceso de varios procesos a zonas de memoria comunes. Comunicación n entre procesos, mismo código c para varias instancias de un mismo programa, etc.

4 Sobre la reubicación Reubicación n estática tica en tiempo de compilación. Dirección n lógica l = dirección n física. f El compilador genera código c máquina m con direcciones absolutas. Reubicación n estática tica durante la carga. Dirección n lógica l = dirección n física. f El código c máquina m contiene direcciones relativas al comienzo del programa (código reubicable),, que se vinculan a direcciones físicas f al comenzar su ejecución. Reubicación n dinámica. Dirección n lógica l dirección n física. f Código reubicable. Las direcciones físicas f se calculan en tiempo de ejecución,, por medio de un soporte hardware especializado (unidad de gestión n de memoria, MMU).

5 Sobre la protección En general, la ubicación n de un proceso en memoria no se conoce de antemano, y no es posible anticipar todas sus referencias a memoria. Muchas las referencias se calculan dinámicamente (e.g( e.g. a raíz z de instrucciones malloc). La protección n requiere mecanismos que actúen en tiempo de ejecución. La solución n prácticamente universal es proveerla por hardware,, en la propia MMU.

6 Técnicas de gestión n de memoria Monitor Monitor residente. Asignación n contigua con particiones múltiples. Particiones estáticas. ticas. Particiones dinámicas. Asignación n no contigua. Paginación. n. Segmentación. n. Segmentación n paginada.

7 Monitor residente

8 Monitor residente Se divide la memoria en dos zonas: monitor residente (SO) y espacio de usuario. Con reubicación n estática: tica: Registro barrera SO CPU Dir. física NO TRAP SÍ Espacio de usuario

9 Monitor residente Con reubicación n dinámica: Registro barrera SO CPU Dir. lógica + Dir. física Espacio de usuario

10 Intercambio (swapping) Forma de conseguir multiprogramación, utilizando almacenamiento secundario de apoyo. SO 1 P 1 Espacio de usuario 2 P 2

11 Intercambio Tiempos de cambio de contexto muy elevados. Mejoran solapando la carga o descarga de un proceso con la ejecución n de otro. Buffers del SO, e intercambio dentro de la memoria principal. Cuidado con las operaciones de E/S por DMA. Podrían iniciarse sobre la memoria de un proceso y terminar sobre la de otro. Soluciones: No descargar procesos con E/S pendiente. Realizar la E/S sobre buffers del SO.

12 Asignación n contigua con particiones múltiplesm

13 Sistemas de particiones múltiplesm Objetivo: soporte más s eficiente a la multiprogramación. Se divide el espacio de usuario en un conjunto de regiones o particiones. Cada región n alberga un proceso. Dos variantes: Multiprogramación n con número n fijo de tareas (MFT): particiones estáticas ticas. Multiprogramación n con número n variable de tareas (MVT): particiones dinámicas micas.

14 Con reubicación n estática tica Lím. inferior Lím. superior SO CPU P 2 Dir. física NO SÍ NO SÍ P 1 P 2 TRAP TRAP P 3 Los límites l se actualizan en los cambios de contexto, con la información n del bloque de control del proceso en cuestión.

15 Con reubicación n dinámica Tamaño Dir. base SO CPU Dir. lógica SÍ + P 2 NO Dir. física P 1 P 2 TRAP P 3 El tamaño o y la dirección n base se actualizan en los cambios de contexto.

16 MFT Las particiones de la memoria son fijas, definidas a priori. Asignación n de procesos a particiones: Una cola de procesos por partición. Estrategia best-fit fit: cada proceso se asigna a la partición n más m pequeña a que puede albergarlo. Posibilidad de particiones vacías as aún a n habiendo procesos preparados que cabrían an en ellas. Una única cola. Estrategia best-fit fit-only. Estrategia best-fit fit-available: los procesos entran en la partición más s pequeña a en que caben de entre las disponibles.

17 Ejemplo 7KB 3KB 2KB 5KB SO 2KB 6KB 12KB 2KB El proceso de 5KB entra en la partición n de 6KB. El proceso de 2KB entra en una partición n de 2KB. Best-fit fit-only: El proceso de 3KB espera. Con exploración n de la cola, el proceso de 7KB entra en la partición n de 12KB. Best-fit fit-available: El proceso de 3KB entra en la partición n de 12KB.

18 Más s sobre MFT Utilizando intercambio,, se puede aumentar el grado de multiprogramación n más m s allá del número n de particiones. Los procesos pueden residir en particiones distintas durante su ejecución n sólo s con reubicación n dinámica. Qué hacer si un proceso solicita más s memoria, excediendo el tamaño o de la partición n asignada? No conceder más m s memoria y abortar la ejecución. Encolar el proceso en espera de una partición suficientemente grande. Exige reubicación n dinámica.

19 Fragmentación Aprovechamiento subóptimo de la memoria. Fragmentación n interna: memoria asignada que no se utiliza. Fragmentación n externa: memoria desocupada que no puede aprovecharse para dar cabida a nuevos procesos. SO 6KB 6KB 10KB 4KB 4KB 4KB 7KB 3KB FI 3KB FI 1KB FE 8KB En MFT no habría a fragmentación n si las particiones coincidieran con el tamaño o de los procesos.

20 MVT El tamaño o y número n de las particiones de la memoria varía dinámicamente. Mayor flexibilidad que MFT. Elimina la fragmentación n interna: a cada proceso se le asigna únicamente la memoria que va a utilizar. SO SO SO SO SO SO P 1 P 1 P 1 P 1 P 1 P 2 P 2 P 4 P 3 P 3 P 3

21 Hardware y software para MVT Mismo hardware que en MFT. Predominantemente, reubicación n dinámica. El SO mantiene una lista de huecos,, y asigna memoria según n una determinada estrategia: First-fit fit: selecciona el primer hueco suficientemente grande. Best-fit fit: selecciona el hueco más m s pequeño o de tamaño o suficiente. Hay que explorar toda la lista, salvo que esté ordenada por tamaño. Tiende a generar huecos pequeños, cuyo rastreo es comparativamente costoso. fit: selecciona el hueco más m s grande. Hay que explorar toda la lista, salvo que esté ordenada por tamaño. Pretende crear huecos grandes. Worst-fit

22 Compactación La fragmentación n externa en MVT puede ser grande, y en general aumenta con el tiempo. Caso extremo: un hueco desperdiciado entre cada dos procesos. El problema se alivia con compactación,, desplazando procesos en un sentido y huecos en otro. El desplazamiento obliga a detener la computación. Se necesita reubicación n dinámica mica. Cuándo compactar? Cuando un proceso no pueda alojarse en memoria. De modo preventivo, cuando se exceda un determinado nivel de fragmentación. n. Cuando se realice algún intercambio.

23 Paginación

24 Paginación El espacio lógico l de los procesos se divide en páginas de tamaño o fijo. La memoria se divide en marcos,, del mismo tamaño que las páginas. p Las páginas p se asignan a marcos, posiblemente de manera no contigua. P 1 Pág. 1 Pág. 2 P 2 Pág. 1 Pág. 2 Pág. 3 Pág. 3 Pág. 1 Pág. 2 Pág. 2 Pág. 1

25 Hardware de paginación Las direcciones lógicas l se descomponen en número de páginap (p) y desplazamiento dentro de la misma (d). La MMU vincula números n de página p a marcos concretos de la memoria física. CPU PTBR Dir. lógica p V d m Dir. física m SÍ d NO V=1 TRAP MP Tabla de páginas

26 Observaciones El tamaño o de páginas p y marcos es potencia de 2. 2 Igual número n de bits para p y para m: : los procesos no pueden direccionar más m s memoria que la que hay. Hay una tabla de páginas p para cada proceso. Cuando hay pocas páginas, p las tablas pueden alojarse en registros de la CPU. Lo habitual, sin embargo, es almacenarlas en la propia memoria. En memoria, cada entrada de la tabla ha de ocupar un número entero de palabras.

27 Puntos fuertes No hay fragmentación n externa,, y la asignación de memoria es trivial. Cualquier marco libre es igualmente bueno. La fragmentación n interna se reduce a la última página p de cada proceso. Mejor aprovechamiento de la memoria cuanto más m s pequeñas sean las páginas. p Caso peor: (1 página p - 1 palabra) número de procesos. En media: (½ página) número de procesos. Se facilita la compartición: : varios procesos pueden acceder a un mismo marco. El código c compartido debe ser reentrante (i.e. no debe automodificarse).

28 Puntos débilesd Si las tablas de páginas p se alojan en memoria, se duplica el tiempo de acceso efectivo a la misma. Solución: una caché especial para entradas de las tablas de páginas p (Translation Lookaside Buffer,, TLB). Las tablas de páginas p pueden ocupar un espacio considerable. Ejemplo: memoria de 4GB, páginas p de 4KB y 4 bytes por entrada tablas de 4MB por proceso. Parece recomendable un tamaño o de páginas p grande, para que las tablas tengan pocas entradas. Compromiso con la fragmentación n interna. Soluciones: Paginación multinivel. Tabla de páginas p invertida.

29 Paginación n en 2 niveles CPU Dir. lógica Dir. física p 1 p 2 d m 2 d PTBR V m 2 MP V m 1 TP Externa A menudo, los procesos no utilizan todas las páginas p del espacio lógico. l Las páginas p no utilizadas se pueden condensar en entradas de la TPE con n V=0. Ejemplo (continúa): Memoria de 4GB y páginas p de 4KB 4 bytes por entrada en TPE y TPI 10 bits para p 1 y 10 para p 2 Procesos de 12 MB TP Interna 16KB en tablas por proceso

30 Observaciones El número n de bits de p 2 se ajusta para aprovechar al máximo m el marco de cada TPI. Si las tablas de páginas p se alojan en memoria, se triplica el tiempo de acceso efectivo a la misma. Se pueden compartir TPIs. La idea es generalizable a más m s de 2 niveles.

31 Tabla de páginas p invertida Una única tabla, en memoria, con tantas entradas como marcos. Cada entrada indica qué página de qué proceso se aloja en el marco correspondiente. CPU P P Dir. lógica Dir. física p d i d buscar i MP Si no se encuentra nada, TRAP P p Tantos accesos a memoria como entradas se recorren en la búsqueda. b Una tabla hash limita la búsqueda b a un número n reducido de entradas. Se dificulta la compartición.

32 Segmentación

33 Segmentación El espacio lógico l de un proceso se concibe como un conjunto de segmentos de tamaño o variable. Funciones, variables, pila, etc. Similar a la MVT,, sólo s que los distintos segmentos de un proceso no tienen por qué estar contiguos en memoria.

34 Hardware de segmentación Las direcciones lógicas l se descomponen en número de segmento (s) y desplazamiento dentro del mismo (d). Tabla de segmentos STBR long base CPU s Dir. lógica d MP NO SÍ + TRAP

35 Observaciones Los campos long y d tienen igual número n de bits. El campo base tiene tantos bits como las direcciones de memoria física. f No se necesita bit de validez. La protección n la proporciona el campo long. Hay una tabla de segmentos para cada proceso. Nuevamente, las tablas suelen almacenarse en memoria, con cada entrada ocupando un número n entero de palabras.

36 Puntos fuertes Se divide el espacio lógico l en partes semánticamente definidas. Optimiza la protección y la compartición. No hay fragmentación n interna.

37 Puntos débilesd Se duplica el tiempo de acceso efectivo a la memoria. Solución: una caché especial para entradas de las tablas de segmentos. Las tablas de segmentos pueden ocupar un espacio considerable. Hay fragmentación n externa. Política de asignación first-fit fit, best-fit o worst-fit fit. Compactación. Reducir el tamaño o medio de los segmentos aumentaría el espacio consumido en tablas.

38 Segmentación n paginada

39 Segmentación n paginada Combinación n de segmentación n y paginación. Los segmentos se dividen en páginas p y se meten en marcos. Se mantiene la visión n natural del espacio lógico de los procesos. Se trivializa la asignación (cualquier marco es igualmente bueno), y se elimina la fragmentación n externa.

40 Hardware de segmentación n paginada El desplazamiento dentro del segmento se descompone en un número n de página p (p) y un desplazamiento dentro de ésta (d ). Tabla de segmentos STBR long base m CPU s Dir. lógica d MP SÍ p d m d NO TRAP

41 Observaciones Una tabla de segmentos por proceso, y una tabla de páginas p por segmento. Se introduce fragmentación n interna,, en la última página de cada segmento. Con todas las tablas en memoria, se triplica el tiempo efectivo de acceso a la misma. En comparación n con la segmentación, n, aumenta el espacio consumido en tablas. La paginación n segmentada (paginación segmentando la tabla de páginas) p tiene poco sentido práctico, y apenas se usa.

42 Fin