Gerência de Memória

Os programas e dados precisam estar na memória principal para serem processados pela CPU. As instruções dos programas são lidas da memória e executadas pela CPU. Os dados são lidos e gravados por estas instruções. O acesso à memória é feito através de endereços.

Os programas normalmente são armazenados em disco na forma de código executável e quando são carregados para a memória devem ter seus endereços ajustados de acordo com a posição onde serão carregados. Isto chama-se relocação.

A unidade de controle de memória (MMU) é um dispositivo de hardware que faz o mapeamento dos endereços lógicos para os endereços físicos, baseando-se num registrador de relocação.

Ligação dinâmica Vs. estática

Os programas de usuário são ligados às bibliotecas de linguagem do sistema. Alguns sistemas só permitem ligação estática, isto é, as referências às rotinas da biblioteca são feitas quando o programa é criado. Com ligação dinâmica, as referências são feitas quando o programa é carregado na memória para execução. A vantagem é que o código da biblioteca - que é usado por vários programas - não precisa ser copiado para cada programa. As bibliotecas usadas por mais de um programa podem ser compartilhadas, economizando memória e espaço em disco.

Swapping

Um processo precisa estar na memória principal para ser executado. No entanto, ele pode ser movido para um armazenamento auxiliar (disco) enquanto não estiver sendo executado e ser carregado posteriormente para continuar a execução. Isto é chamado de swapping. O swapping é extremamente “caro” pois a troca de contexto é extremamente lenta, pois para alternar entre processos é necessário gravar e ler os dados em disco constantemente. O sistema de troca puro, portanto não é muito utilizado.

Versões modificadas no entanto, podem ser encontradas em sistemas Unix. O swapping fica desativado enquanto houver espaço disponível na memória principal. Quando mais processos forem carregados e a memória estiver cheia, processos inativos ou antigos são descarregados para o disco até haver espaço disponível e carregados posteriormente.

Alocação contígua de memória

Neste esquema vários processos podem ser carregados simultaneamente em espaços de memória variável. Seu espaço é delimitado por um registrador de relocação (ou base) e um de limite (indicando o endereço de memória lógico máximo do processo). A alocação pode ser feita de acordo com um dos algoritmos:

• First-fit: O primeiro espaço livre suficiente para o processo é alocado.
• Best-fit: O menor espaço livre suficiente é alocado. Pode resultar em diversos espaços pequenos fragmentados na memória.
• Worst-fit: O maior espaço é alocado, deixando fragmentos maiores que podem ser mais úteis do que os pequenos fragmentos do best-fit.

Paginação

A paginação reduz o problema de fragmentação, pois não requer que as páginas de um processo sejam contíguas na memória. O espaço de endereçamento lógico de um processo é dividido em diversas páginas de tamanho fixo que são mapeadas na memória física. O endereçamento passa a ser feito através de uma combinação de número de página mais deslocamento dentro da página. O SO traduz o número da página para o endereço físico na memória principal.

Segmentação

No esquema de segmentação, os programas de usuário são divididos em segmentos, que podem ter tamanho variável. Um segmento pode contar o código principal, enquanto outro possui dados, outro a pilha, sub-rotinas, etc.

Os segmentos de código podem ser protegidos para somente-leitura ou somente-execução, evitando erros de programação comuns que podem causar problemas difíceis de detectar. Como o segmento de código pode ser protegido contra gravação, ele pode inclusive ser compartilhado por outras instâncias do mesmo programa.

A desvantagem da segmentação é que ela causa fragmentação da memória, assim como na alocação contígua.

Segmentação com paginação

Tanto a segmentação como a paginação tem vantagens e desvantagens. Os sistemas modernos tendem a combinar ambas as técnicas para tirar proveito dos pontos positivos das duas. Neste esquema, cada segmento é por sua vez dividido em páginas, como no sistema de paginação, evitando a fragmentação da memória.

Memória Virtual

A vantagem da técnica de memória virtual, é que os processos não precisam estar totalmente carregados na memória para serem executados e ainda podem ser maiores do que a memória física. Isto libera os programadores das preocupações de limitação de memória.

Paginação sob demanda

O método mais comum de implementação da memória virtual é a paginação sob demanda. É uma espécie de paginação com swapping, mas neste caso o paginador (pager) e não “swapper” só carrega para a memória principal as páginas que realmente serão usadas. O swapper manipula processos inteiros.

Apenas as páginas essenciais de um processo são carregadas para a memória inicialmente. Uma tabela controla quais páginas estão na memória e quais estão em disco. Se uma página não está carregada e um processo tenta acessá-la, uma exceção (page-fault) ocorre e o SO deve tratá-la. O SO interrompe o processo e carrega a página solicitada. O controle é então devolvido ao processo que pode acessar a página como se nada tivesse acontecido.

Como só as páginas necessárias são carregadas, mais memória física fica livre e mais programas podem ser executados simultaneamente.

Substituição de página

Conforme o nível de multiprogramação aumenta e mais processos são carregados, eventualmente, toda memória poderá ser ocupada não sobrando páginas livres. Mas os processos em execução podem precisar de mais páginas para execução. A solução é fazer a substituição de páginas.

Se nenhum quadro da memória estiver livre, procura-se um que não esteja sendo usado no momento e ele é gravado no espaço de swap e liberado na tabela de páginas. Este quadro passa a estar livre para ser usado.

Há vários algoritmos de substituição:

• FIFO (first-in, first-out): A página mais antiga a entrar é a primeira a ser liberada.
• LRU (least recently used): A página menos usada recentemente é liberada.
• LFU (least frequently used): A página que tiver sido menos usada.

Questões para estudo

1. Qual a função do registrador de relocação da unidade de controle de memória (MMU)?

2. Qual a vantagem da ligação dinâmica para a ligação estática?

3. Num sistema de swapping comum, é possível rodar programas maiores do que a memória principal?

4. Qual é a vantagem da paginação em relação à alocação contígua?

5. O que é memória virtual?

6. Na paginação sob demanda, como (e quando) são carregadas as páginas para a memória principal?