Tema 20 Gestión de memoria

Transcripción

1 Tema 20 Gestión de memoria Índice INTRODUCCIÓN 1 REQUISITOS DE LA GESTIÓN DE MEMORIA 2 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA EN SO SIN MEMORIA VIRTUAL 2 Recubrimiento 3 MEMORIA VIRTUAL 4 Funcionamiento 4 Soporte del procesador (en el caso de la paginación) 4 Otras técnicas avanzadas de gestión de memoria 6 ADMINISTRACIÓN DEL ESTADO DE LA MEMORIA 7 POLÍTICAS DE GESTIÓN DE LA MEMORIA VIRTUAL 8 Políticas de lectura 8 Política de reemplazo 8 Gestión del conjunto residente 9 Introducción Una de las funciones del sistema operativo de un ordenador, al cual me referiré como SO, es gestionar la memoria. La memoria puede ser la principal (memoria RAM) o secundaria. Las tareas que realiza el SO para gestionar los procesos en memoria principal se denomina gestión de memoria. La gestión de memoria secundaria se denomina Gestión de archivos y pertenece a otro tema del temario. Las técnicas utilizadas en cada caso, son diferentes. Los procesos necesitan para ejecutarse, que, al menos, una parte de ellos esté almacenada en memoria principal. Actualmente, todos los SO son multiprogramados, tienen varios procesos listos para ser ejecutados en todo momento. El SO debe gestionar los procesos en memoria para obtener el mejor rendimiento. En estos SO, la memoria se divide en tres partes: 1. Una parte para el núcleo del SO (código ejecutable del SO) 2. Otra parte, para almacenar las imágenes de los procesos (Código, variables, pila...) 3. Espacio para buffers utilizados en comunicaciones. El SO tiene la ayuda del hardware del procesador para gestionar la memoria principal. Con la gestión de la memoria se busca optimizar el rendimiento del sistema, tanto la productividad general del sistema, como el tiempo de respuesta de los procesos. Página 1 de 9

2 Requisitos de la gestión de memoria A la hora de actuar, el sistema de gestión de memoria tiene que tener en cuenta las siguientes cuestiones: Reubicación: Un proceso no sabe a priori que posiciones de memoria ocupará. Por ello, las direcciones dentro del código de un proceso son relativas al inicio del código. El procesador transforma, en tiempo de ejecución, las direcciones lógicas a direcciones físicas, gracias a que el SO suministra al procesador la dirección de inicio del código, denominada dirección base. Protección: El SO también debe proporcionar al procesador la dirección límite del espacio de memoria asignado al proceso en ejecución. El procesador tiene el hardware necesario para evitar que un proceso accede a espacio de memoria de otro proceso. Compartición: El mecanismo de seguridad debe ser lo suficientemente flexible para permitir que varios procesos compartan una misma zona de memoria. Organización lógica: La imagen de un proceso se compone de cuatro partes el código del programa, los datos, la pila del sistema, la información de contexto de ejecución-. El SO y el procesador deben ser capaces de dar protección diferente a cada una de las partes. Esto evita, por ejemplo, que un proceso accede a la pila del proceso y cambie una dirección de retorno y se ejecute código malicioso. Estructura de la memoria en SO sin memoria virtual La memoria se organiza para que quepan el mayor número de procesos. Actualmente, se utiliza la técnica de la memoria virtual, que consiste en poder almacenar en memoria secundaria parte de la imagen de un proceso. Antes de esta técnica, se utilizaban los siguientes tipos de organización de memoria: Partición fija: La memoria principal se divide en un conjunto de particiones fijas de tamaños variables. Un proceso se carga en una partición de igual o menor tamaño. Es una técnica simple, pero provoca flagmentación interna, es decir, que haya espacio sin usar en particiones ocupadas por un proceso, y el número de procesos en memoria es fijo. Partición dinámica: El SO va creando particiones de tamaño variable para cargar los procesos. Cada partición es exactamente del tamaño del proceso que contiene, por lo que elimina la flagmentación interna. Durante la ejecución de varios procesos, pueden aparecer huecos entre las particiones, demasiado pequeños para aprovecharse. Es lo que se denomina flagmentación externa, que se combate con la compactación de la memoria. La actividad de compartación sobrecarga el sistema. Paginación simple: La memoria se divide en una serie de particiones pequeñas de tamaño fijo e igual, que se denominan marcos. Las imágenes de los procesos se dividen en trozos del mismo tamaño que los marcos (Páginas). Las páginas de un proceso se cargan todas en marcos no necesariamente contiguos. Elimina la flacmentación externa y minimiza la interna. Página 2 de 9

3 Segmentación simple: Los procesos se dividen en trozos de tamaño variable y se cargan en zonas de memoria no necesariamente contiguas. No tiene flagmentación interna, pero si externa (necesita compartación). La segmentación permite modularizar el proceso y tratar diferente a cada módulo. La segmentación es visible al programador. Las técnicas anteriores tienen la limitación de cargar todo el proceso en memoria para ejecutarlo. El tamaño de la memoria limita el tamaño máximo del proceso ejecutable y el número máximo de procesos en memoria. Recubrimiento El recubrimiento era la técnica utilizada para poder ejecutar procesos de tamaño superior a la memoria asignada al proceso antes de le memoria virtual. El proceso se dividía en módulos, parte de los módulos se cargaban en memoria y otros en memoria secundaria. Los módulos podían intercambiarse entre las dos memorias. Había dos tipos de recubrimiento: Recubrimiento total: Un módulo de memoria puede ser recubierto por cualquier otro módulo. Recubrimiento parcial: Un módulo de memoria puede ser recubierto por sólo un subconjunto del total de módulos. El recubrimiento no es transparente a los programas, como en el caso de la memoria virtual. El programador debe especificar al SO cual es el orden de carga de los módulos del programa, y en el caso de recubrimiento parcial, qué modulo sustituir. Página 3 de 9

4 Memoria virtual Es la técnica utilizada actualmente por los SO para superar las limitaciones de los esquemas anteriores. Con la memoria virtual se hace innecesario que todo el proceso esté cargado en memoria principal. Permite tener un conjunto de procesos en la que la suma del tamaño de sus imágenes de memoria sea superior al tamaño de la memoria principal. Esto permite aumentar el grado de multiprogramación del sistema. En los sistemas de memoria virtual, los programas tienen direcciones virtuales a memoria que necesitan ser traducidas a direcciones reales de la memoria. La traducción lo realiza hardware de soporte del procesador (MMU Management Memory Unit-). La memoria virtual se combina con las técnicas de la paginación y la segmentación. Funcionamiento Supongamos un esquema paginado con memoria virtual. Al iniciarse la ejecución del proceso, el SO carga en memoria la primera página del proceso y unas cuantas más. La parte del proceso que se encuentra en memoria se denomina conjunto residente del proceso. Si durante la ejecución del proceso, se hace referencia a una instrucción o dato que no está en el conjunto residente del proceso, el procesador lo detecta, y genera una interrupción de fallo de página. Entonces, el SO toma el control del ordenador y trae la/s página/s que se necesiten. Mientras realiza las operaciones de E/S necesarias para cargar las páginas, el SO puede ir ejecutando otro proceso. La memoria virtual provoca la sobrecarga del sistema, al tener que llamar al SO para que traiga partes del proceso a memoria. A pesar de ello, mejora el rendimiento del sistema, gracias al principio de localidad de referencias. Este principio establece que el flujo de ejecución de un programa abarca un conjunto de instrucciones limitado durante un espacio de tiempo relativamente largo. Gracias a lo cual, la tasa de fallos de página es reducida. Soporte del procesador (en el caso de la paginación) { Dirección virtual } Nº de página Desplazamiento TLB Tabla de páginas Nº de marco Desplazamiento { Dirección Real } Fallo de página Página 4 de 9

5 Las direcciones que aparecen en el código máquina de un proceso son virtuales, relativas al inicio del programa. Una dirección virtual de k bits, tiene una parte de los bits que indican el número de marco al que pertenece, y el resto de bits, al desplazamiento dentro del marco. Las direcciones físicas también tienen k bits, y en la paginación, los bits de desplazamiento coinciden. El procesador para localizar la página donde se localiza el marco, mantiene en memoria una tabla de páginas con indicación de todas las páginas que componen un proceso y con un bit que indica si está en memoria. Si lo está, almacena el número de marco donde está localizado. A la hora de cargar un programa en la memoria virtual, se mueven los módulos del programa al espacio de memoria virtual de memoria secundaria y se crean las entradas en la tabla de páginas correspondientes a las páginas que componen el proceso, indicando que ninguna de ellas está en memoria. La carga de los módulos en la memoria principal, se deja al tratamiento por defecto de los fallos de página, cuando el procesador intente ejecutarlo. De esta forma se carga un programa sin necesidad de realizar entradas y salidas. Este mecanismo recibe el nombre de acoplamiento ( mapping ) y también se utiliza para realizar operaciones de E/S. Para evitar tener que hacer un acceso a memoria cada vez que tiene que resolver una dirección, el procesador contiene una memoria caché denominada buffer de traducción adelantada, que le permite acceder a la localización de cada página mucho más rápido. La caché tiene una capacidad limitada y sólo almacena la información de las últimas páginas accedidas. El procesador primero busca el número de página en el buffer de traducción adelantada. Si no lo encuentra, busca en la tabla en memoria. Si el marco no está en memoria principal, genera una interrupción, para que una rutina del SO se encargue de traerlo. Una vez tiene el número de marco, le une el desplazamiento para tener la dirección física. El rendimiento neto del procesador es directamente inverso a la tasa media de fallos de página (p) por el tiempo perdido por la carga de las nuevas páginas (t): 1 Rendimiento= 1 p t En el caso de que el rendimiento de un sistema sea insuficiente por el alto número de fallos de página, se debe : Aumentar la capacidad de la memoria principal Disminuir el número de procesos en ejecución del sistema. Es decir, reducir el grado de multiprogramación. Página 5 de 9

6 Otras técnicas avanzadas de gestión de memoria La segmentación virtual En la segmentación con memoria virtual, la operación es muy similar, excepto que existe un valor base que se añade al desplazamiento de la dirección virtual para obtener el desplazamiento real y un valor de longitud del segmento, utilizado para que controlar que los procesos no accedan a fuera de su segmento. La hiper-paginación Esta técnica se utiliza para evitar tener grandes tablas de paginación en memoria principal. La hiperpaginación básica consiste en tener dos niveles, el primer nivel consta de una tabla con referencias a otras tablas que contienen la relación marcos-páginas. En este caso, una dirección virtual consiste en tres elementos, dos direcciones y un campo de desplazamiento. La primera dirección indica que fila de tabla de tablas hay que consultar para localizar la tabla de relación marcos-páginas. La segunda dirección es el número de marco a consultar en la segunda tabla. Enlace con librerías dinámicas Las librerías dinámicas son módulos con código ejecutable que puede ser compartido entre varios procesos y cuyo enlace link se realiza en tiempo de ejecución. El uso de librerías dinámicas tiene las ventajas sobre las librerías estáticas (enlace en tiempo de ejecución) que: Genera procesos con menos código. El código de la biblioteca sólo ha de guardarse una vez en memoria, independientemente del número de procesos que lo utilicen. Puede actualizarse la biblioteca sin modificar los programas. Siempre que no se modifican la interfaz de la biblioteca. Las bibliotecas dinámicas también son reubicadas, en caso necesario, por el SO en diferentes ubicaciones de memoria. Para que la ubicación de las librerías dinámicas sea transparente a los procesos, las referencias a rutinas de las librerías se realizan relativas a un registro, por ejemplo con la posición inicial de la librería. Es la misma técnica usada en las llamadas internas dentro del proceso. Técnicas antiguas, como el recalculo de direcciones de los procesos en caso de reubicación de la librería, no se utilizan debido a la gran sobrecarga al sistema. Página 6 de 9

7 Administración del estado de la memoria El SO mantiene un registro del uso de la memoria principal, para saber que partes están libres y cuales ocupadas. La gestión es más compleja cuando las fracciones de memoria ocupados por un proceso pueden tener tamaño variable como es el caso de la segmentación y de la partición dinámica. En estos casos, existen dos formas básicas para llevar el registro del uso de la memoria: Administración de la memoria con mapas de bits. Consiste en dividir la memoria en unidades de asignación y construir un mapa de bits que refleje esta división. Si una unidad está ocupada, el bit que le corresponde del mapa de bits, toma el valor 1, si está libre toma el valor 0. El tamaño de la unidad de asignación determina el tamaño del mapa de bits. Si es pequeño, el mapa de bits será grande. Si es grande, el mapa de bits será pequeño, aunque puede provocar problemas de fragmentación interna. Administración con listas enlazadas. Consiste tener una lista ligada a las fracciones de memoria que están ocupadas o libres. Generalmente se tienen dos listas, una para espacios libres y otros ocupados, en las cuales se señala la dirección de inicio y de fin del espacio de memoria. Estas listas están ordenadas por las direcciones. Cuando se necesita un espacio vacío para un proceso o un módulo de proceso, según el caso, se busca en la lista de espacios vacíos. Se pueden utilizar diversas técnicas: o o o El primero en ajustar: Se recorre la lista de espacios vacíos hasta encontrar un hueco de tamaño suficiente. Es una técnica muy rápida pero con problemas de fragmentación interna. El siguiente en ajustar: Evolución de la técnica anterior. En vez de iniciar la búsqueda desde el principio, se inicia desde el último espacio asignado. De esta forma se hace un uso más homogéneo de la memoria. Mejor en ajustarse: Busca en toda la lista y toma el hueco con menor fragmentación interna. Es la técnica más lenta pero de uso más eficiente de la memoria. La administración de memoria con fracciones de tamaño fijo como en la partición fija y, especialmente, en la paginación es más sencilla. En el caso de la paginación, la unidad de asignación es el marco. Página 7 de 9

8 Políticas de gestión de la memoria virtual En un sistema con memoria virtual, hay que establecer las reglas para gestionar el intercambio de páginas o segmentos entre la memoria principal y la secundaria: Políticas de lectura El SO debe decidir cuando cargar las páginas en memoria principal. Hay dos alternativas: Paginación por demanda: Carga una página en memoria sólo cuando se necesite, al iniciar la ejecución de un proceso o por fallos de página. Por el principio de localidad de referencias, al llevar un tiempo suficiente de ejecución, la tasa de fallos de página desciende hasta un nivel aceptable. Paginación previa: Se traen a memoria más páginas que las solicitadas. Aprovecha las ventajas de lectura secuencial de los dispositivos de memoria secundaria (discos duros). Es una política eficaz si luego las páginas extra son referenciadas. Política de reemplazo Cuando la memoria está llena y hay que cargar otra página, el SO debe decidir que página mandar a memoria secundaria. El objetivo es seleccionar la página que más tarde en referenciarse. El reemplazo puede ser: Global: Cualquier página de cualquier proceso puede ser candidata Local: Sólo las páginas del proceso que provocó el fallo de página pueden ser candidatas. Una vez definido el conjunto de páginas candidatas, hay que elegir una. Hay tres políticas básicas: LRU: Se selecciona la página usada hace más tiempo. Debido al principio de localidad de referencias, es la página que menos probabilidad tiene de volver a ser usada. MRU: Se selecciona la página usada hace menos tiempo. Aunque es contrario al principio de localidad de referencias, suele comportarse bien en sistemas interactivos con tiempos de respuesta largos. FIFO: Se selecciona la página que lleva más tiempo en memoria. Es una técnica muy simple. La técnica del reloj: Cada vez que se accede a una página, se marca poniendo a uno un bit de control de acceso. Cuando se busca el candidato a ser desalojado de memoria, se recorre la tabla de páginas, si el bit de control de acceso está a 1 se pone a 0. La primera página localizada con el bit a 0 se selecciona para ser reemplazada. Las técnicas LRU y del reloj son las más eficientes y por ello más utilizadas. Página 8 de 9

9 Gestión del conjunto residente El nº de procesos en memoria influye en el rendimiento del sistema. Si hay muchos procesos, se gana en el grado de multiprogramación. Pero si hay demasiados, cada proceso tendrá pocas páginas cargadas en memoria principal, por lo que la tasa de fallos de página será alta, dando lugar a una sobrecarga excesiva del SO. Existen dos políticas para decidir el nº de marcos para cada proceso Asignación fija: Cuando se inicia el proceso se le asigna un número de marcos fijo. El número depende del tipo de proceso: por lotes, iterativo... o en función de directrices del administrador. Asignación variable: El nº de marcos asignados varía. Si un proceso tiene una alta tasa de fallos de página, se le aumenta el número de marcos asignado. La asignación variables es más potente que la fija, pero tiene el inconveniente de aumentar la complejidad del SO y necesita soporte del procesador. Página 9 de 9