22 mar UNIDAD 3 Administración de memoria. 3.1 Política y filosofía. Filosofía: POLÍTICAS. Organización de la memoria estrategias de administración

Transcripción

1 1 22 mar UNIDAD 3 Administración de memoria. La parte del S. O. que administra la memoria se llama administrador de la memoria : Lleva un registro de las partes de memoria que se están utilizando y de aquellas que no. Asigna espacio en memoria a los procesos cuando estos la necesitan. Libera espacio de memoria asignada a procesos que han terminado. La memoria principal es un recurso costoso, por lo que su uso debe optimizarse. 3.1 Política y filosofía. Filosofía: La memoria principal puede ser considerada como un arreglo lineal de localidades de almacenamiento de un byte de tamaño. Cada localidad de almacenamiento tiene asignada una dirección que la identifica. Una de las funciones básicas que debe implementar un SO es la Administración de la Memoria para tener un control sobre los lugares donde están almacenados los procesos y datos que actualmente se están utilizando. Sea cual sea el esquema de organización del almacenamiento que se adopte para un sistema específico, es necesario decidir qué estrategias se deben utilizar para obtener un rendimiento óptimo. Las estrategias de administración del almacenamiento determinan el comportamiento de la administración de memoria cuando se siguen ciertas políticas: Cuándo se toma un nuevo programa para colocarlo en memoria? Se toma el programa cuando el sistema lo solicita específicamente o intenta anticiparse a las peticiones del sistema? En qué lugar del almacenamiento principal se coloca el programa por ejecutar? Se colocan los programas lo más cerca unos de otros en los espacios disponibles de la memoria principal para reducir al mínimo el desperdicio de espacio, o se colocan los programas lo más rápido posible para reducir al mínimo el tiempo de ejecución? Si se necesita colocar un nuevo programa en el almacenamiento principal y éste está lleno, Cuál de los otros programas se desaloja? Se han realizado sistemas que utilizan cada una de estas estrategias de administración. Los programas y datos necesitan estar en el almacenamiento principal para ser ejecutados o para poder hacer referencia de ellos. Los que no se necesitan de inmediato pueden guardarse en el almacenamiento secundario. Por ejemplo el caso de Unix permite procesos múltiples y un proceso puede generar otro fácilmente. La planificación del procesador usa un algoritmo basado en prioridades. La administración de memoria es un algoritmo de regiones variables con intercambios. Inicialmente los algoritmos realizados se eligieron por sencillez, no por velocidad ni complejidad. El desarrollo inicial se hizo bajo un espacio muy pequeño de memoria. Los recursos de memoria totales eran insuficientes para justificar algoritmos complejos, por lo que UNIX intercambiaba el contenido en memoria de los procesos. POLÍTICAS. Organización de la memoria.- Forma de considerar este almacenamiento: se coloca un solo programa de usuario o varios? Si se encuentran varios programas de usuario: o se les concede la misma cantidad de espacio o particiones de diferente tamaño? o se usa un esquema rígido de número y tamaño de particiones o un esquema dinámico y adaptable? o se requiere que los trabajos funcionen en una partición específica o en cualquiera donde quepan? o se requerirá o no que cada trabajo sea colocado en un bloque contiguo de memoria? Independiente del esquema de organización hay que decidir las estrategias que se usarán para optimizar el rendimiento. Las estrategias de administración deben considerar: cómo se consigue un nuevo programa para colocar en la memoria: cuando el sistema lo pide o intenta anticiparse a las peticiones? 1

2 2 dónde se colocará el programa que se ejecutará a continuación: se prioriza el tiempo de carga o la optimización en el uso de la memoria? con qué criterio se desplazarán programas? 3.2 Memoria real. Cantidad de memoria principal con que cuenta un equipo Memoria secundaria auxiliar.- la soportada generalmente en discos. Para que un programa pueda ser ejecutado, él y sus datos deben estar en memoria principal. Para mejorar el rendimiento del cpu se pueden repartir sus servicios entre varios programas que necesitan estar cargados simultáneamente en memoria compartiéndola. La memoria real o principal se considera el recurso central, ya que tanto el cpu como los dispositivos e/s la acceden para leer o grabar. CPU MEMORIA E/S Hay 2 parámetros relacionados con la velocidad de r/w en memoria real: Tiempo de acceso.- Tiempo que transcurre del inicio al fin de una operación r/w. Tiempo de ciclo de memoria.- Retraso que impone el hardware entre una operación y otra Administración de almacenamiento. Direccionamiento La memoria se puede ver como una sucesión de bytes, cada uno con su dirección y se puede acceder a ellos indicando dicha dirección. Asignación de direcciones En qué direcciones cargar los datos y programas? El programador diseña su programa sin saber dónde se cargará. Simplemente definirá una sentencia de inicio que marcará el comienzo de sus instrucciones y a partir de ella describirá el resto del programa. El compilador traducirá a lenguaje máquina y asignará a las instrucciones y variables un desplazamiento respecto a la sentencia inicial (cero relativo). Esta operación se llama asignación de direcciones relativas. Cuando el programa se enlaza, el linker lo colocará en memoria asignando el cero relativo a una dirección real y el resto de direcciones basadas en los desplazamientos (Transformación de direcciones relativas a absolutas o reales) 2

3 Jerarquía. Nivel 0: Registros Nivel 1: Memoria caché Nivel 2: Memoria principal Nivel 3: Disco duro (con el mecanismo de memoria virtual) Registro.- memoria de alta velocidad y poca capacidad, integrada en el cpu, que permite guardar y acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas. Están en la cumbre de la jerarquía de memoria, y son la manera más rápida que tiene el sistema de almacenar datos. Se miden generalmente por el número de bits que almacenan; "registro de 8 bits" o "registro de 32 bits". Se implementan en un banco de registros Los CPU s tienen además otros registros usados con un propósito especifico, como el contador de programa. Memoria caché.- tipo especial de memoria que se sitúa entre el cpu y la RAM para almacenar datos que se usan frecuentemente. Agiliza la transmisión de datos entre el CPU y la memoria principal. Es de acceso directo y mucho más rápida que la RAM. Memoria principal.- Son circuitos integrados capaces de almacenar información digital, a los que tiene acceso el CPU. Poseen una menor capacidad de almacenamiento que la memoria secundaria, pero una velocidad millones de veces superior. Hay dos tipos: o ROM (Read Only Memory) "Memoria de solo lectura" que almacenan códigos de programa o grabados de fábrica. (BIOS) RAM (Random Access Memory) "Memoria de acceso aleatorio", almacena datos que pueden ser escritos y borrados atendiendo a los procesos de computación. "Aleatorio" indica que sus localidades pueden ser accedidas directamente, dando rapidez a los procesos. El CPU direcciona las posiciones de la RAM para poder acceder a los datos almacenados en ellas y para colocar los resultados de las operaciones. Memoria secundaria.- dispositivo encargado de almacenar información de forma permanente. 3

4 4 Los programas y datos deben estar en memoria principal para poder ejecutarse o ser referenciados. Los programas y datos que no son necesarios de inmediato pueden mantenerse en memoria secundaria. 4

5 5 23 mar Estrategia de administración de memoria. Están dirigidas a la obtención del mejor uso posible del recurso de la memoria principal. Se dividen en las siguientes categorías: estrategias de búsqueda.- establecen cuándo obtener el siguiente fragmento de programa o de datos para su inserción en la memoria principal. o búsqueda por demanda.- el siguiente fragmento de programa o de datos se carga a memoria o principal cuando algún programa en ejecución lo referencia. búsqueda anticipada.- puede producir un mejor rendimiento del sistema ya que no espera a que se efectúe la petición, sino que trata de anticiparse a ésta. estrategias de colocación.- determinan el lugar de la memoria dónde se colocará (cargará) un programa nuevo. estrategias de reposición.- determinan cuál fragmento de programa o datos liberar para dar lugar a los programas nuevos Asignación contigua vs no contigua. asignación contigua.- cada programa ocupa un bloque contiguo de localidades de memoria. asignación no contigua.- un programa se divide en varios bloques o segmentos que pueden almacenarse en direcciones que no tienen que ser necesariamente adyacentes, por lo que es más compleja pero más eficiente que la asignación continua. Asignación Contigua de Memoria de Un Solo Usuario El tamaño de los programas está limitado por la cantidad de memoria principal, pero se puede superar este límite con técnicas de recubrimientos, con las siguientes características (Figura 3.3.): Si una sección particular del programa ya no es necesaria, se carga otra sección desde la memoria secundaria ocupando las áreas de memoria liberadas por la sección que ya no se necesita. La administración manual por programa del recubrimiento es complicada y dificulta el desarrollo y el mantenimiento. 5

6 6 Protección en los sistemas de un solo usuario El usuario tiene un completo control sobre la totalidad de la memoria principal: La memoria se divide en porciones que contienen el S. O., el programa del usuario y una porción sin usar. El programa del usuario podría destruir áreas del S. O. que podrían: bloquear el sistema o producir salidas erróneas. El S. O. debe estar protegido contra el proceso usuario por medio de un registro de límites o registro frontera : o Contiene la dirección de la instrucción más alta usada por el S. O. o Si se intenta ingresar al S. O. la instrucción es interceptada y el proceso finaliza Multiprogramación de partición fija, partición variable, con intercambio de almacenamiento. Multiprogramación de Partición Fija Los sistemas de un usuario desperdician gran cantidad de recursos computacionales debido a que (Figura 3.4): Cuando ocurre una petición de e/s el cpu normalmente no puede continuar el proceso hasta que concluya la operación de e/s requerida. Los periféricos de e/s frenan la ejecución de los procesos ya que comparativamente el cpu es más rápido que los dispositivos de e/s. 6

7 7 Los sistemas de multiprogramación permiten que varios procesos usuarios compitan al mismo tiempo por los recursos del sistema: Un trabajo en espera de e / s cederá el cpu a otro trabajo que esté listo para efectuar cómputos. Existe paralelismo entre el procesamiento y la e/s. Se incrementa el uso del cpu y la capacidad global de ejecución del sistema. Es necesario que varios trabajos residan a la vez en la memoria principal. 7

8 8 24 mar Multiprogramación de Partición Fija: Traducción y Carga Absolutas Las particiones de la memoria principal: Son de tamaño fijo. Se maneja una lista para cada partición. Alojan un proceso cada una. El cpu se cambia rápidamente entre los procesos creando la ilusión de simultaneidad. El S. O. resulta de implementación relativamente sencilla pero no se optimiza el uso de la memoria. Está condicionada a saber con anticipación las necesidades de memoria de un programa y su orden de llegada Multiprogramación de Partición Fija: Traducción y Carga Relocalizables Se usa una sola lista para todas las particiones y el sistema operativo determinará qué programa cargar y en qué partición. Se producen programas relocalizables que puedan ser ejecutados en cualquier partición disponible de tamaño suficiente para aceptarlos (Figura 3.6). Mejoran el uso de la memoria. Confieren más flexibilidad en el armado de la carga de procesos. Protección en los Sistemas de Multiprogramación Si se usa asignación contigua de memoria la protección suele implementarse con varios registros de límites (Figura 3.8.). Los extremos superior e inferior de una partición pueden ser: Delineados con dos registros. Indicando el límite inferior o superior y el tamaño de la partición o región. 8

9 9 Fragmentación en la Multiprogramación de Partición Fija La fragmentación de memoria ocurre en todos los sistemas independientemente de su organización de memoria. En los S. O. de multiprogramación de partición fija la fragmentación se produce cuando: Los trabajos del usuario no llenan completamente sus particiones designadas. Una partición permanece sin usar porque es demasiado pequeña para alojar un trabajo que está en espera. Considerando una memoria dividida en 3 particiones de 128 K, 128 K y 256 K respectivamente: Fragmentación interna.- si un programa necesita 100 K de memoria y hay una partición de 128K se desaprovechan 28 K al interior de la partición. Fragmentación externa.- Puede haber un programa de 130 K en una partición de 256 y otro de 100k en una de 128 K, presentándose una petición de un programa de 140K que no podrá ser cargado en la partición libre, habiendo en total, suficiente memoria. Multiprogramación de Partición Variable Los procesos ocupan tanto espacio como necesitan, pero obviamente no deben superar el espacio disponible de memoria. (Figura 3.9.). 9

10 10 No hay límites fijos de memoria, es decir que la partición de un trabajo es su propio tamaño. Se consideran esquemas de asignación contigua, dado que un programa debe ocupar posiciones adyacentes de memoria. Los procesos que terminan dejan disponibles espacios de memoria principal llamados agujeros : Pueden ser usados por otros trabajos que cuando finalizan dejan otros agujeros menores. En sucesivos pasos los agujeros son cada vez más numerosos pero más pequeños, por lo que se genera un desperdicio de memoria principal. (Fig. 3.10) Combinación de agujeros (áreas libres) Consiste en fusionar agujeros adyacentes para formar uno sencillo más grande. Se puede hacer cuando un trabajo termina y la memoria que libera tiene límites con otros agujeros. (Fig. 3.11) Compactación de Memoria Puede ocurrir que los agujeros (áreas libres) separados distribuidos por todo la memoria principal constituyan una cantidad importante de memoria: Podría ser suficiente (el total global disponible) para alojar a procesos formados en espera de memoria. Podría no ser suficiente ningún área libre individual (Figura 3.10.). 10

11 11 La compactación implica pasar todas las áreas ocupadas de la memoria a uno de los extremos de la memoria principal y dejar un solo agujero grande de memoria libre contigua. 11

12 12 28 mar Principales desventajas de la compactación Consume recursos del sistema (Figura 3.12.). El sistema debe detener todo mientras efectúa la compactación, lo que puede afectar los tiempos de respuesta. Implica la relocalización (reubicación) de los procesos que se encuentran en la memoria. Una alta carga de trabajo significa mayor frecuencia de compactación que aumenta el uso de recursos. Estrategias de Colocación de la memoria Se usan para determinar el lugar de la memoria donde serán colocados los programas y datos que van llegando y se les clasifica de la siguiente manera: Estrategia de mejor ajuste : Un trabajo nuevo es colocado en el agujero en el cual quepa de forma más ajustada. Debe dejarse el menor espacio sin usar. Estrategia de primer ajuste : Un trabajo nuevo es colocado en el primer agujero disponible con tamaño suficiente para alojarlo. Estrategia de peor ajuste : Consiste en colocar un programa en el agujero más grande posible. El agujero restante es grande como para poder alojar a un nuevo programa. Multiprogramación con Intercambio de Memoria Los programas de usuario no requieren estar en memoria principal hasta su finalización. Una variante consiste en que un trabajo se ejecuta hasta que ya no puede continuar: Cede la memoria y el cpu al siguiente trabajo. La totalidad de la memoria se dedica a un trabajo durante un breve período de tiempo. Los trabajos son intercambiados, dándose que un trabajo puede ser intercambiado varias veces antes de llegar a su terminación. Es un esquema razonable y eficiente para un número relativamente reducido de procesos. Los sistemas de intercambio fueron los predecesores de los sistemas de paginación. El rendimiento de los sistemas de intercambio mejora al reducir el tiempo de intercambio: Manteniendo al mismo tiempo varias imágenes de usuario o imágenes de memoria en la memoria principal. (swap in) 12

13 13 Retirando una imagen de usuario de la memoria principal solo cuando es necesaria su memoria para una nueva imagen. (swap out) Incrementando la cantidad de memoria principal disponible en el sistema. Las imágenes de usuario (imágenes de memoria) retiradas de la memoria principal se graban en la memoria secundaria. 3.3 Organización de memoria virtual. Memoria virtual.- capacidad de direccionar un espacio de memoria mucho mayor que el disponible en la memoria primaria. Los métodos más comunes de implementación son mediante: Técnicas de paginación. Técnicas de segmentación. Combinación de ambas. Las direcciones generadas por los programas en su ejecución no son necesariamente, las contenidas en la memoria primaria (real), ya que las direcciones virtuales suelen seleccionarse dentro de un número mucho mayor de direcciones que las disponibles dentro de la memoria primaria Evolución de las organizaciones de almacenamiento. Real: Sistemas dedicados a un usuario. Real: Sistemas de multiprogramación en memoria real: o Multiprogramación en partición fija: Absoluta. Relocalizable (reubicable). o Multiprogramación en partición variable. Virtual: Multiprogramación en memoria virtual: o Paginación pura. o Segmentación pura. o Combinación paginación / segmentación. Conceptos Básicos de Memoria Virtual La clave del concepto de memoria virtual está en la disociación de: las direcciones a las que hace referencia un programa. las direcciones disponibles en la memoria real (primaria). Los principales conceptos son los siguientes: Direcciones virtuales : las referidas por un proceso en ejecución. Direcciones reales : las disponibles dentro de la memoria primaria. Espacio de direcciones virtuales (v) de un proceso: número de direcciones virtuales que puede referenciar el proceso. 13

14 14 Espacio de direcciones reales (r) de una computadora: número de direcciones reales disponibles en la computadora. Los procesos hacen referencia a direcciones virtuales pero éstas deben ejecutarse en la memoria real: Las direcciones virtuales deben ser transformadas dentro de las direcciones reales, mientras el proceso está en ejecución. La traducción de direcciones deberá hacerse rápidamente para no degradar al sistema. Existen varios medios para asociar las direcciones virtuales con las reales (Figura 3.13.). La traducción dinámica de direcciones (dat) convierte las direcciones virtuales en reales al ejecutarse el proceso. Las direcciones contiguas dentro del espacio de direcciones virtuales de un proceso no tienen por qué ser contiguas dentro de la memoria real, a esto se denomina contigüidad artificial (Figura 3.14.). 14

15 15 29 mar Paginación. La necesidad de asignar memoria en cantidades contiguas para cada programa es el mayor inconveniente para un buen aprovechamiento de la misma. La paginación es una técnica de gestión que permite asignar la memoria de forma discontinua. La memoria física se divide en trozos de tamaño fijo llamados frames y la lógica en bloques de igual tamaño llamados páginas. El sistema operativo mantiene una tabla de páginas donde relaciona cada página cargada en memoria con el frame que la contenga o sea su dirección inicial en memoria real. Cada dirección que genera el CPU será interceptada y dividida en dos componentes, un número de página (p) y un desplazamiento en la página (d). Usando p como índice, el gestor de memoria recorre la tabla de páginas hasta localizar dicha página, y a continuación sumará d a la dirección de carga correspondiente obteniendo la dirección real. El tratamiento anterior exige que se realice por hardware. Cada programa se divide en páginas, y éstas se cargan en frames libres que no tienen que ser contiguos. Administración de la memoria. La paginación es una forma de reasignar direcciones dinámicamente. El sistema analiza cada nuevo trabajo que se disponga a entrar para conocer el número de páginas que ocupa y buscará en su lista de frames libres un número igual de ellos. Si existen, cargará en ellos las páginas del programa y construirá la correspondiente tabla de páginas actualizando la lista de frames libres. Cada trabajo en memoria tendrá su propia tabla de páginas apuntadas por el pcb. Así se logra evitar la fragmentación externa ya que cualquier frame libre es asignable a un trabajo que lo necesite. Seguirá existiendo fragmentación interna porque generalmente los trabajos no ocupan el total de la página. Esta fragmentación se reduce si la página tiene un tamaño pequeño, pero se necesita una tabla de páginas mayor. Rendimiento. Memoria Caché. Registros asociativos. Para agilizar la conversión de direcciones el sistema mantiene en memoria la tabla de páginas de los trabajos activos y usa un registro especial llamado registro base, para indicar la dirección de la tabla de páginas del proceso en ejecución. Así cuando se conmute de un trabajo a otro se restaura la dirección de la tabla de páginas correspondiente. Para transformar cada dirección lógica (p,d) generada por el cpu en su dirección real, el sistema accede en primer lugar a la tabla de página correspondiente (registro base + p) y después a la dirección real (frame + d). Así cada dirección provoca dos accesos a memoria y se duplican los tiempos de ejecución. Se mejora el uso de la memoria pero los procesos son más largos. Para resolver esto se recurre a memorias pequeñas de muy alta velocidad (muy caras) donde se puedan mantener las entradas a las tablas de páginas más usadas. Esta memoria (caché) es similar a la principal pero con menor tiempo de acceso y con eso se reduce el retraso producido por la paginación. 15

16 16 En sistemas pequeños, con tablas de páginas de pocas entradas se usa un conjunto de registros hardware para contener dichas tablas (registros asociativos). Páginas compartidas. La paginación permite que varios procesos compartan páginas en memoria. Esto es bueno para los sistemas de tiempo compartido. Imaginemos un sistema con 20 usuarios que usan un editor de textos, en el sistema se cargará una sola vez el programa correspondiente y éste será usado por todos ellos aunque los datos sean propios de cada uno. Cada usuario contendrá en su tabla de páginas las entradas correspondientes al editor, apuntando todas ellas a los mismos frames y a distintos para los datos. Es común usar páginas compartidas, su contenido debe permanecer inalterado y tener código reentrante (durante la ejecución no se altera ningún valor interno). Si el contenido de las páginas compartidas no debe modificarse, deben protegerse contra todo intento de escritura. Se necesita un sistema de protección de páginas en memoria que controle las direcciones a las que se puede acceder y el modo en que se hace dicho acceso. Para ello se añaden a las entradas de la tabla de páginas una serie de bits de protección (dirección de la pagina), el esquema de protección se complementa con otro bit por entrada de la tabla de páginas llamado bit de validez (modo r o w) Segmentación. La segmentación es una técnica distinta de gestión de memoria que pretende acercarse más al punto de vista del usuario. Los programas se desarrollan, generalmente, en torno a un programa principal desde el que se bifurca a otras partes (rutinas) o se accede a zonas de datos (tablas, pilas, etc.). Desde este punto de vista, un programa es un conjunto de componentes lógicos de tamaño variable o un conjunto de segmentos, es decir, el espacio lógico de direcciones se considera como un conjunto de segmentos, cada uno definido por su tamaño y un número. La segmentación de un programa la realiza el compilador y en ella cada dirección lógica se expresará mediante dos valores: número de segmento (s) y desplazamiento dentro del segmento (d). Hardware de segmentación. Puesto que la memoria física se direcciona linealmente, será necesario transformar cada dirección lógica (s,d) en una dirección real (r). Esta conversión la realiza un dispositivo especial de hardware consultando la tabla de segmentos correspondiente. Rendimiento. 16

17 17 Reduce la fragmentación interna de la memoria provocada por la paginación, ya que asigna a cada programa la cantidad de memoria que requiere. La carga de un programa en memoria exige la búsqueda de los huecos adecuados a sus segmentos y puesto que éstos son de tamaño variable, se ajustarán lo más posible a las necesidades, produciéndose huecos pequeños. En este caso se produce fragmentación externa. La eficacia de la segmentación requiere, de igual forma que la paginación, el uso de memorias caché para lograr unos tiempos de acceso adecuados. De igual forma que en la paginación, se pueden compartir segmentos entre varios procesos Sistemas de paginación-segmentación. Tanto la paginación como la segmentación, tienen ventajas e inconvenientes, y parece lógico intentar combinar ambas técnicas para aprovechar sus características positivas. En todo sistema se define, por su arquitectura, un espacio máximo de direcciones lógicas, tamaño máximo de cualquier programa que quiera ejecutarse, e implica un número de páginas. Por esto, algunos sistemas usan una técnica de paginación segmentada consistente en segmentar la tabla de páginas adecuándola al tamaño del programa. Para ello, mantiene una tabla de segmentos cuyas entradas indican la dirección de inicio de cada tabla de páginas y su tamaño. Se usa un hardware especial. Otros sistemas optan por paginar los segmentos, es decir, usan segmentos cuyo tamaño es un número entero de páginas. Esta técnica se denomina segmentación paginada. La tabla de segmentos de la segmentación pura cambia de contenido y sus entradas ya no apuntan al inicio del segmento correspondiente indicando su tamaño, sino que apuntan a una tabla de páginas del segmento indicando su longitud. De esta forma se evita la fragmentación externa propia de la segmentación, pues cualquier hueco será de una página como mínimo, y por tanto usable para cualquier segmento que lo necesite. 3.4 Administración de memoria virtual. Los sistemas de gestión de la memoria vistos hasta ahora están sujetos a la exigencia de que un programa, para ejecutarse, debe de estar cargado en memoria principal en su totalidad. Sin embargo, no todas las partes del programa se ejecutan a la vez. El programador diseña rutinas que sólo se ejecutan en determinadas circunstancias. Por ejemplo, las rutinas de error. Así, no parece necesario que todo el programa esté cargado en memoria para poder ser procesado. La memoria virtual es una técnica de gestión que, combinando hardware y software, permite la ejecución de programas parcialmente cargados en memoria real. Esta forma de trabajar aporta ventajas importantes: Si los programas se pueden ejecutar por partes, la memoria lógica puede ser mayor que la real disponible. Puesto que cada programa ocupa menos memoria real, se puede elevar el índice de multiprogramación, y por tanto, la eficiencia del sistema. Al cargar menos cantidad de cada programa, se necesitan menos operaciones de entrada/salida para las operaciones de carga e intercambio de los mismos Estrategias de administración. Las diferentes partes de un programa se van cargando en memoria a medida que se necesitan, y por ello, esta técnica debe considerar tres aspectos importantes: Carga. Las porciones del programa se cargan cuando se necesiten (demanda) o se cargan por adelantado (anticipación). Colocación. Los sistemas de memoria virtual que utilicen segmentación deben decidir, al cargar un nuevo segmento, si lo hacen en el hueco más adecuado (best fit) o bien en el primero posible (first fit). Reemplazo. Lo normal será que toda la memoria real esté ocupada, y cuando se necesite cargar una nueva parte de un programa habrá que reemplazar alguna de las existentes. Es importante definir la selección de la parte a reemplazar. 17

18 18 Esta técnica es difícil de llevar a la práctica. Los sistemas que la usan son complejos, pero a la vez, deben ser muy eficientes. De lo contrario, la ejecución de los programas puede empeorar notablemente. 18

19 19 30 mar Técnicas de reemplazo de páginas. La técnica de petición de páginas permite reducir la memoria ocupada por cada programa durante su proceso. Todos los sistemas que usan la técnica de memoria virtual sobreutilizan en mayor o menor medida la memoria física para obtener un mejor rendimiento. Para ello, deben hacerse algo más complejos: Supongamos que uno de esos programas intenta acceder a una dirección cuya página no está en memoria. El hardware la intercepta y cede el control al sistema operativo que, después de comprobar que es una dirección legal, la trata como una falta de página. Buscará un hueco en memoria. En este punto al analizar la lista de frames libres comprueba que no hay hueco disponible y, como responsable de la gestión de la memoria, debe resolver la situación sin afectar al programa. Una posible solución es sacar de memoria algún programa cargado y usar los frames que deja libres, pero esto lleva consigo una sobrecarga importante en la operación de intercambio (swap). La solución adoptada, generalmente, es sustituir alguna de las páginas cargadas (reemplazar páginas). Para ello, la rutina del sistema que gestiona la interrupción de falta de página deberá trabajar de la siguiente manera: Encontrar la página solicitada en el almacenamiento secundario. Encontrar un frame libre. Si existe, usarlo. Si no existe, usar un algoritmo de reemplazamiento para seleccionar la página a reemplazar. Salvar la página reemplazada en el almacenamiento secundario, actualizando las tablas afectadas. Llevar la página solicitada al frame libre y actualizar las tablas correspondientes. Algoritmos de reemplazamiento. El algoritmo óptimo será aquel que seleccione la página que vaya a tardar más en ser usada para sustiturla. Cuando se produce una falta de página, la memoria está ocupada por un grupo de páginas y una de ellas, la que provocó la falta, va a ser usada inmediatamente y, por tanto, no debe ser sustituida. De las otras, algunas se necesitarán al cabo de unas pocas instrucciones, otras al cabo de algunas más. Es evidente que la mejor solución es reemplazar la que tarde más instrucciones en ser necesitada, ya que su ausencia tardará más en hacerse sentir y durante ese intervalo pueden acabar otros procesos con la consiguiente liberación de frames. La dificultad de esta solución radica en la imposibilidad de prever el comportamiento futuro de los procesos, pero como en otras muchas situaciones de la vida cotidiana, se puede prever, en cierta medida dicho comportamiento, partiendo de la experiencia del pasado (heurística), de las referencias a memoria que hasta el momento han realizado los procesos. Los algoritmos que se han ideado para controlar el reemplazamiento parten del uso pasado de las páginas para aproximarse a la solución óptima. Su idoneidad quedará definida por dos factores: número de faltas de página que provoca y el costo de su uso (la sobrecarga que produce en el sistema). Un factor que condiciona el número de faltas de página es el número de frames disponibles en el hardware. En general, a más frames menos faltas. 19

20 20 Algoritmo FIFO (First In First Out). Es el más sencillo. Cuando se necesite sustituir una página, se elegirá aquella que lleve más tiempo en memoria (primera en llegar, primera en salir). Para controlar el tiempo de permanencia en memoria de las páginas, este algoritmo usa una lista de llegada a memoria de las mismas. La primera de la fila será aquella que lleve más tiempo cargada y, según el criterio FIFO, será la primera en ser sustituida. Un criterio de selección tan simple es fácil de programar y a la vez producirá poca sobrecarga en el sistema, pero su eficacia es relativa. No es improbable que la razón por la que una página lleve más tiempo en memoria sea su mayor uso, y en ese caso, este algoritmo sustituirá la página menos adecuada. Pensemos en un sistema de tiempo compartido con varios usuarios usando un editor de textos, compartiendo páginas del mismo. Normalmente serán éstas las más antiguas en memoria y, aunque su uso es muy alto, el criterio FIFO las reemplazará provocando inmediatamente una sucesión de falta de páginas. Es inadecuado para sistemas de tiempo compartido, pero puede ser útil en entornos batch. Algoritmo LRU(Least Recently Used). Es una buena aproximación a la solución óptima, considerando que aquellas páginas muy usadas en el pasado reciente lo serán también en el futuro. En el mismo sentido, las páginas poco usadas en el pasado seguirán siéndolo en el futuro, y se deberá sustituir aquella que haya sido menos usada recientemente. En este caso, emplear el tiempo de uso es un criterio que refleja mucho mejor el comportamiento de los procesos en su uso de la memoria. Ponerlo en práctica es relativamente difícil, ya que el sistema debe contabilizar, de alguna forma, el tiempo en el que se produce cada referencia a memoria para poder clasificar las páginas según su uso. Este control se puede realizar de varias maneras: Contadores de hardware. Incorpora un contador de referencias a memoria y añade un campo a las entradas de la tabla de páginas que pueda almacenar el valor del contador. Para resolver una falta de página, el sistema busca el valor del contador menor. Matrices de hardware. Si la computadora dispone de N frames, el hardware debe mantener una matriz de N*N bits puestos inicialmente a 0. Al accederse a una página K, el hardware pone a 1 todos los bits de la fila K y a 0 todos los bits de la columna K. La página menos usada recientemente es aquella cuya fila tenga el menor valor binario. Pilas (stack). Mantiene una pila de los números de las páginas usadas. Cada vez que se usa una página, su número se coloca al principio de la pila. La página menos recientemente usada será la del fondo de la pila. En todas estas opciones del algoritmo LRU se exige disponer de un hardware especial, y por ello, su aplicación se limita a aquellas computadoras que dispongan de los elementos necesarios. 20

21 21 Otros algoritmos. Dado lo difícil del LRU, se han tratado de encontrar algoritmos más sencillos. Bit de referencia.- asociado a cada entrada de la tabla de páginas. Cada vez que se usa una página, el hardware activa el bit correspondiente (valor 1). Conforme se van usando las distintas páginas cargadas en memoria se activan sus bits de referencia y aquellas cuyos bits estén en 0, serán candidatas a ser reemplazadas. Los bits de referencia se restauran cada cierto tiempo (puesta a 0). Algoritmo menos frecuentemente usado (LFU-Least Frequently Used).- Asocia un contador a cada página, a intervalos regulares, se produce una interrupción que pasa el control al sistema y éste añade al contador de cada página el valor del bit de referencia, poniendo después a 0 todos los mencionados bits de referencia. Se sustituirá la página cuyo valor del contador sea menor. En ocasiones, algunos algoritmos se complementan usando un bit de modificación por cada página, indicando si el contenido de la misma ha variado (1) o no (0) desde que se cargó en memoria. Se deben sustituir preferentemente aquellas páginas que no se hayan modificado, pues así se evita tener que salvar su contenido en el almacenamiento secundario, con el consiguiente ahorro en operaciones de entrada/salida. Criterios de reemplazamiento de páginas. Cualquiera de los algoritmos analizados puede ayudar a seleccionar la página a sustituir. Pero, entre qué páginas elegimos?, las del propio proceso o entre todas las existentes? En el primer caso hacemos una selección local o por proceso, en el segundo, lo haremos global o general. En la figura 7.28 tenemos tres procesos: A, B y C, ocupando la memoria con una serie de páginas. Al lado de cada una de ellas se especifica la edad o tiempo que cada una lleva en memoria. Supongamos que el proceso A necesita traer otra de sus páginas a memoria produciendo la correspondiente falta de página. Si aplicamos el criterio local de selección, la página sustituida será la A3, y si se aplica el criterio global se sustituirá la (B3). Asignación de memoria. En el diseño de un sistema operativo se debe afrontar otro aspecto importante de la gestión de la memoria como lo es determinar cuántos frames asignar a cada proceso activo. La propia arquitectura de una computadora impone unos mínimos de asignación por proceso, por tanto, el propio sistema debe asegurar a todo proceso un número mínimo de páginas en memoria (mínimo estructural). Si por cualquier razón un proceso se queda con menos frames de los indicados, el sistema deberá suspenderlo y sacarlo (swap-out). Aunque el número de frames asignados a un proceso podrá reducirse hasta ese mínimo, cualquier proceso generalmente usa un número mayor. Suponiendo que por su prioridad un proceso no pueda robarle frames a otros procesos, deberá sustituir una de sus páginas activas provocando, casi inmediatamente, otra falta de 21

22 22 página, y así sucesivamente. Esta situación es la hiperpaginación donde se consume más tiempo paginando que procesando. 22

23 23 31 mar Localidad de los procesos. Para evitar situaciones como las descritas, es necesario asignar a cada proceso el número de frames que necesite en cada momento de su ejecución. El problema radica en cómo conocer ese número. Afortunadamente, el comportamiento de los procesos permite afrontar el problema, ya que todo programa está compuesto por varias partes o subrutinas de forma que su ejecución se realiza por fases, una detrás de otra. En cualquier momento el proceso direcciona sólo una pequeña parte de sus páginas. Este comportamiento se conoce con el nombre de localidad de referencias de los procesos, y con su ayuda, podemos conocer el número mínimo de frames que requiere un proceso para evitar una situación de hiperpaginación. Frecuencia de falta de página. Una forma de controlar la asignación de memoria y evitar situaciones no deseadas se basa en el control de la frecuencia con que un proceso produce faltas de página. Puesto que la hiperpaginación se caracteriza por un gran número de dichas faltas, el objetivo es mantener la frecuencia de las mismas entre unos límites preestablecidos. Si la frecuencia de faltas de página de un proceso sobrepasa el límite superior, el sistema le asignará más frames, y si cae por debajo del límite inferior, indica que al proceso se le pueden reducir el número de frames asignados. La gestión de la memoria debe posibilitar también compartir páginas entre procesos y, para ello, dichas páginas deberán llevar un indicativo que les asegure un tratamiento especial Paginación por demanda. Este es el esquema de carga más común cuando se usa la técnica de memoria virtual. Su funcionamiento es similar al de un sistema de paginación con intercambio. Ahora el algoritmo de intercambio no llevará a memoria todo el programa, sino que sólo cargará aquellas páginas que se le pidan. 23

24 24 Cuando el cpu genere una dirección que pertenezca a una página que no se encuentre en memoria <<falta de páginas>>, la buscará, y a continuación, la traerá a memoria desde el correspondiente dispositivo de memoria secundaria. El tratamiento de las faltas de página introduce un retraso adicional en la ejecución de los programas y afecta por tanto al rendimiento general del sistema. El diseño del software necesario debe ser especialmente cuidadoso en este aspecto Paginación anticipada. El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible. Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga páginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir Liberación de página. Un proceso usuario puede emitir una liberación voluntaria de página para liberar el frame cuando ya no necesite esa página. Se puede eliminar el desperdicio y acelerar la ejecución. El inconveniente es que la incorporación de mandatos de liberación de páginas dentro de los programas de usuario puede ser peligrosa y retrasar el desarrollo de aplicaciones. Los compiladores y S. O. deberían detectar automáticamente situaciones de liberación de página mucho antes de lo que es posible con estrategias de conjuntos de trabajo Tamaño de página. Decidir el tamaño adecuado no es sencillo puesto que hay que equilibrar diversos factores: Generalmente la memoria real se divide en frames de tamaño fijo. Los interrogantes tienen que ver con el tamaño de las páginas, si todas las páginas tendrán igual tamaño, si en caso de usar páginas de diferente tamaño las páginas mayores deben ser o no múltiplos enteros de las menores, etc. Algunas consideraciones para determinar el tamaño de página son las siguientes: Cuanto más pequeño sea el tamaño de una página, más páginas y frames habrá y mayores serán las tablas de páginas: o El desperdicio de memoria debido al tamaño excesivo de las tablas de página se llama fragmentación de tablas. o Esto indica la necesidad de páginas más grandes. Con páginas grandes se paginarán hacia la memoria primaria grandes cantidades de información que nunca llegaría a ser referenciada,: o Esto indica la necesidad de páginas más pequeñas. Debido a que las transferencias de e/s del disco (paginación) consumen bastante tiempo, se debe minimizar la paginación que un proceso requiera: o Esto indica la necesidad de páginas grandes. Los programas tienden a mostrar la propiedad de localidad de referencia y esta localidad tiende a ser pequeña: o Esto indica la necesidad de páginas pequeñas. Los procedimientos y datos rara vez comprenden un número entero de páginas, por lo que los sistemas de paginación experimentan una fragmentación interna : o El desperdicio promedio es de ½ página no usada por grupo de páginas, que estará en la última página del grupo. o Esto indica la necesidad de páginas pequeñas. Faltas de página. A mayor tamaño de página se producirán menos faltas de página, reduciéndose la sobrecarga que conllevan. o Esto indica la necesidad de páginas grandes. 24