Memory Management

Memory Management

M.C. Juan Carlos Olivares Rojas

Operating [email protected]

April, 2009

OutlinePolítica y filosofía de A.M.

Mecanismos de asignación

Estrategias de Asignación

El concepto de memoria virtual

Mecanismos de localización

OutlineImplantación de mecanismos de memoria virtual Base limite Segmentación Paginación Segmentación paginada

Mapa de MemoriaMemoria expandidaMemoria extendida

Objective• The student will know and apply the basis of

memory management

Política y filosofía de A.M.• Una de las principales características de una

computadora es la capacidad que tienen para almacenar datos e información.

• El primero en tener la idea de almacenar un programa en una computadora fue Jonh Von Neumman (participante en la ENIAC).

• El utilizó la memoria para almacenar datos y programas.

Memoria• En otro modelo de arquitectura de

computadoras conocida como Arquitectura Harvard, existe una memoria especial para datos y otra memoria para programas. Esto hace que los circuitos sean más eficientes pero más costosos a la vez.

• La gran mayoría de la computadoras (incluyendo las PC) utilizan la arquitectura Von Neumman.

Concepto de memoria• 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.

• La memoria principal es el lugar donde el CPU lee las instrucciones a ejecutar, así como algunos datos a emplear.

Memoria

Memoria• ¿Por qué es importante la memoria?

• Programas = Algoritmos + Estructuras de Datos

• Estructuras de Datos (pilas, listas, colas, etc.) son memoria.

Conceptos de memoria• Existen dos tipos de memoria primaria: volátil (RAM) y

no volátil (ROM).

• La memoria volátil es parecida a un pizarrón. Puede perder los datos.

• El administrador de memoria se va a encargar de gestionar la memoria RAM. La memoria ROM sólo la utiliza para funciones específicas.

Memoria

Memoria• La memoria se puede ver como un casillero en

el cual se almacena información.

• La memoria puede ser estática o dinámica dependiendo de cómo se gestione.

• La memoria está divida en secciones de código, datos estáticos, Pila y el Heap (monton).

Memoria

Conceptos de memoria• Todo sistema operativo tiene un mapa de

memoria que indica como están administrada la memoria y que partes se pueden ocupar.

• La filosofía del administrador de memoria consiste en optimizar el uso de este recurso, ya que la memoria es uno de los componentes críticos de todo sistema de cómputo.

Mapa de Memoria

Mapa de Memoria• Mapa de Memoria de Windows

Volcado de memoria

• Vista del estado de la memoria a través del comando debug.

Memoria• La principal problemática de la memoria

principal es que no es persistente. Por este motivo se tienen que implementar estrategias de almacenamiento y recuperación de información.

• Las operaciones básicas que se realizan sobre una memoria son dos: lectura (r) y escritura (w).

Memoria• Las operaciones anteriores son a nivel usuario.

A nivel sistema se tienen llamadas al sistema como malloc, free, allocate, etc. También debe proporcionar opciones de bloqueo y desbloqueo (protección).

• La ley de Parkinson dice: “los programas se expanden hasta llenar la memoria disponible para contenerlos”.

Memoria• No por tener el doble de memoria instalada en

un sistema legado, este será el doble de rápido.

• La memoria física es utilizado por muchos procesos en lugar de la memoria virtual.

• Todo proceso necesita memoria física para poderse ejecutar.

Administrador de memoria• Sirve para tener un control sobre los lugares

donde están almacenados los procesos y datos que actualmente se están utilizando.

• Las políticas de administración de memoria generalmente son duras, es decir no modificables, pero se pueden configurar algunos parámetros para su mejor uso.

Administrador de Disponibilidad• Tanto el administrador de memoria y el de

archivos son ejemplos claros de un administrador de disponibilidad sobre recursos.

• La memoria basa sus políticas y mecanismos en base a jerarquía. Por ejemplo se tienen los registros en el microprocesador, la memoria caché y la RAM

Administrador de Disponibilidad

Políticas de asignación• La memoria caché es una memoria de acceso

rápido. Es finita, se utiliza en muchos niveles como por ejemplo en microprocesadores, servicios como la Web, etc.

• Otro ejemplo de memoria son los buffer o memorias temporales de E/S

Políticas de asignación• Pueden ser locales o globales. Es más difícil

obtener una buena administración local.

• Las políticas en general son globales mientras los mecanismos son locales

Ejemplos de memoria• Las tendencias actuales sobre el manejo de

memoria indican el uso en diversas aplicaciones:

• Portapapeles: permite guardar datos y transferirlo a otros programas.

• Uso de base de datos en memoria. Algunas versiones de MySQL Lite permiten hacerlo.

Ejemplos de memoria• Las computadoras actuales permiten guardar

los datos al apagar una computadora, para tener un mejor desempeño (hibernación, suspensión).

• Los punteros permiten desplazarnos por las localidades de memoria. Una variable es una localidad de memoria.

Mecanismos de asignación

• Un mecanismo de asignación determina la cantidad de bloques (particiones) que serán administrados en la memoria.

• El esquema básico de asignación consiste en particionar (dividir) la memoria en diferentes partes.

• Existen 3 mecanismos de Asignación:

Mecanismos de asignación de memoria

• Asignación de una partición. En la memoria se considera la existencia de una sola partición, esto es, se tiene la capacidad de ejecutar un proceso.

• La partición es toda la memoria, cuya administración corre por cuenta del usuario, o sea, no hay un sistema operativo. Por ejemplo las consolas de videojuegos de 8bits al introducir un cartucho “ROM” se apodera de toda la máquina.

Mecanismos de Asignación de Memoria


• Asignación de dos particiones. La memoria se divide en 2 bloques. En una partición se carga el Sistema Operativo y en la otra el programa del usuario.

• Es el concepto de Sistema Operativo Monousuario. Existen direcciones que un programa no puede acceder.


• Asignación de múltiples particiones. La memoria es dividida en varias particiones una para el Sistema Operativo y las demás para los procesos de usuarios u otras funciones especiales del Sistema Operativo.

• Este es el concepto teórico de asignación de memoria en los Sistemas Operativos de Multiparticiones y de Multitarea.

Estrategias de asignación de memoria

• Una estrategia de asignación de memoria determina el lugar donde será cargado un nuevo proceso en base a un criterio. Las estrategias de asignación son:

• Primer ajuste. El Sistema Operativo asigna el primer bloque de memoria libre con espacio suficiente para satisfacer la información. La búsqueda de este bloque es de manera secuencial.

Estrategias de asignación de memoria

• Mejor ajuste. El sistema operativo busca el bloque de memoria que represente el menor desperdicio según el requerimiento.

• Peor ajuste. El sistema operativo asigna el bloque mas grande que encuentre.

Estrategias de asignación• Existen otras estrategias de asignación poco

implementadas como:

• Siguiente ajuste: en este esquema se accede a la siguiente partición de memoria disponible, es semejante al primer ajuste. Es útil para garantizar espacios extras.

Estrategias de Asignación• Sea el siguiente mapa de memoria en donde se

cuentan con particiones fijas del tamaño indicado y tres procesos ya cargados en memoria.

• Llegan los procesos p4, p5 y p6 de tamaño 100, 75 y 120. ¿cómo queda el mapa de memoria si se aplican las estrategias de mejor, primer, segundo y peor ajuste?

Estrategias de asignación• Listas variables: en este esquema, se propone

un forma de mejorar el acceso a las unidades de asignación (partición) disponibles.

• Este método mantiene varias listas con diferentes tamaños de particiones. La desventaja radica en actualizar la lista de control de dichas particiones.

Complejidad de los mecanismos y estrategias de asignación

• Cualquier método para manejar la disponibilidad de la memoria presenta inconvenientes como:

• Fragmentación

• Overhead

• Relocalización de programas

• Trashing (sacar un programa inmediatamente después de haber sido asignado memoria)

Concepto de Memoria virtual• Es un método mediante el cual, un sistema operativo

simula tener mas memoria principal que la que existe físicamente. Para implementar la memoria virtual se utiliza un medio de almacenamiento secundario de alta velocidad de acceso, generalmente en disco duro de la maquina.

• Se utiliza la paginación como método de administración de memoria básica y algún mecanismo de intercambio.

Memoria virtual• En las tablas de paginas se agrega un campo mas a

cada entrada: el bit valido/invalido (p).

• En los procesadores 80386 y posteriores, que indica si la página a la que se está haciendo referencia en un momento dado se encuentra en la memoria principal (válido) o en el disco duro (inválido). Cuando el sistema operativo haga referencia a una página inválida, deberá ir al disco duro y cargarla a memoria principal para continuar el procesamiento.

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Virtual Memory

• Espacio de Direcciones de 32-bit (4 GB)– 2 GB espacio de usuarios– 2 GB sistema operativo

• Espacio de Direcciones de 64-bit– 7192 GB espacio de usuario

(Itanium)– 8192 GB espacione de usuario

(x64)– ~6000 GB sistema operativo

2 GB Espacio de Procesos

de Usuario

2 GB Sistema Kernel/HAL

driversSistemade cache

Único por proceso

Systemwide

Espacio de DireccionesDe 32-bit

Mecanismos de localización• Los mecanismos de localización hacen referencia a la

forma en como se puede ubicar un programa en memoria.

• Los programas se localizan en base a un mecanismo y estrategia de asignación.

• La relocalización de un programa es más complicado ya que implica volver asignar un nuevo programa en memoria cuidando los demás espacios.

Implantación de mecanismos de memoria virtual

• Existen 2 métodos para cargar programas en memoria:

• Demanda de página: consiste en iniciar la ejecución de los procesos sin páginas cargadas, estas se irán cargando conforme el proceso las demande.

• Prepaginación: consiste en que el sistema operativo predice cuales páginas se ocuparán durante la ejecución de un proceso.

Algoritmos de descarga (Reemplazo)• Se utiliza para determinar cuales páginas serán

descargadas hacia el disco duro cuando se quiera cargar nuevas paginas y no haya memoria libre. Existen 3 algoritmos básicos:

• MIN: Consiste en descargar la o las páginas que no se necesitarán en el periodo de tiempo más largo en el futuro. Esta implementación es imposible.

Algoritmos de descarga (Reemplazo)• FIFO: Consiste en tener un contador de tiempo

para cada pagina para descargar las mas viejas.

• LRU (Least Recently Used): Consiste en descargar las últimas páginas usadas (se usa el pasado para predecir el futuro). Lo utiliza Windows.

Algoritmos de Descarga (Reemplazo)


• Sea el siguiente mapa de memorias con tres procesos activos y tres procesos nuevos, p4, p5 y p6 de tamaño 100, 75 y 120.

• Como no existe memoria disponible se necesita sacar procesos de la memoria. Se asume que el primer proceso p1 es el más antiguo y que se tiene una tabla de utilización de las particiones de memoria.

Actividad• Realizar un simulador de memoria virtual. El

cual deberá permitir crear procesos de un tamaño indicado planificados.

• Lo primero que se realiza es la configuración del administrador de memoria. Tamaño de la memoria y tamaño de los segmentos. Se deberá realizar una carga de procesos estáticos para obtener un mapa de memoria.

Actividad• Se deberá indicar el tipo de estrategia de

asignación de memoria, si se utiliza memoria virtual o no (se utilizará FIFO como algoritmo de descarga de páginas).

• El usuario deberá introducir los procesos que quieren que se ejecuten y el sistema devolverá la asignación de los bloques de memoria respectivos.

Base límite

• El registro base y el registro límite pueden servir para localizar direcciones de memoria.

• El registro base sirve como referencia para ubicar una dirección en particular y el registro límite ayuda a determinar si el desplazamiento de una dirección está por encima del área asignada. Este mecanismo sirve de protección para la memoria.

Segmentación

• Un método de asignación de memoria es la manera mediante la cual el Sistema Operativo lleva el control de la memoria tratando de que sea lo más eficiente posible. Los métodos de asignación más comunes son:

• Segmentación: Este método consiste en la asignación de bloques de memoria de tamaño variable, llamados segmentos. El tamaño de cada segmento será el requerido según la petición, por ejemplo el tamaño del proceso a cargar.

Métodos de asignación de memoria

• El tamaño máximo para un segmento estará determinado por la capacidad de direccionamiento del hardware de la computadora, esto es, de cuantos bits se dispone para almacenar una dirección.

• El acceso a cada elemento individual en la memoria se hace mediante una dirección de memoria que se integra por dos elementos: una dirección de segmento y una de desplazamiento.

Segmentación• La combinación (suma) de la dirección de

segmento y la de desplazamiento generan la dirección de memoria absoluta a acceder.

• Dado que en cada proceso se manejan direcciones lógicas, el sistema operativo debe obtener una dirección lógica. El sistema operativo debe también asegurarse de que cada dirección lógica esté dentro del rango de direcciones empleado por el proceso.

Direccionamiento DOS

• MS-DOS (Segmentación)• 8086 (16 Bits) 220=1,048,576 = 1MB.

• 80286 (16 Bits) Puede funcionar de alguno de los 2 modos:

• Modo real = 8086

• Modo protegido: – Para cada programa se implementa una tabla de

descriptores.

Direccionamiento DOS• Modo protegido– Capacidad de direccionamiento. 224 = 16,777,216 =

16MB

• Windows (Segmentación o Paginación) • 80386 (32 Bits), 486, Pentium – Capacidad de direccionamiento. 232 =

4,294,967,296 = 4GB

Segmentación en DOS• Si un programa trata de asignar un bloque de

memoria de cierto tamaño, DOS busca un bloque apropiado, si lo encuentra, se modifica para que pertenezca al proceso solicitado.

• Si el bloque es demasiado grande, DOS divide en un bloque asignado y un nuevo bloque libre.

Segmentación DOS• Cuando un programa libera un bloque de

memoria, MS-DOS lo modifica para indicar que está disponible.

• Cuando un programa reduce la cantidad de memoria que necesita, MS-DOS crea un nuevo bloque de control de memoria para la memoria liberada.

Tipos de segmentos• Segmentos de datos: sólo se puede leer y escribir,

pero no se puede ejecutar código de programa.

• Segmento de código: se puede ejecutar código pero no puede leer ni escribir.

• Segmento del sistema: describe diferentes tipos de segmentos que todos ellos sirven para la gestión del modo protegido.

Paginación• Consiste en considerar el espacio de

direcciones lógicas de cada proceso como un conjunto de bloques de tamaño consistente llamados paginas. Cada dirección lógica manejada para un proceso estará conformada por un par de valores [pagina: desplazamiento].

Implementación de mecanismos de paginación

• La tabla de paginas se implementa completamente en hardware (ventaja: se obtiene una alta velocidad de acceso a memoria. Desventaja: resulta problemática cuando la tabla de páginas debe ser grande).

• Implementar la tabla de páginas en la memoria principal (ventaja: la tabla de paginas puede crecer según se requiera. Desventaja: la velocidad de acceder a memoria es relativamente baja, dado que cada referencia a memoria involucra 2 accesos.

Swap• El swap es la forma en como se intercambia

una partición de memoria por otra. Generalmente se utiliza en técnicas basadas en paginación.

• Se ocupa de una administración adecuada del sistema de archivos para permitir paginación.

Swap• Un ejemplo claro de intercambio es la famosa

función de intercambio

int swap(int a, int b) {

int aux = a;

a = b;

b = aux;

}

Esquema de paginación Windows• Windows '95 implementa memoria virtual

mediante un esquema paginado, tomando como base la arquitectura de direccionamiento del procesador Intel 80386 y posteriores.

• El algoritmo de carga/descarga de páginas empleado es el LRU (Least Recently Used) mediante el cual se descargan a disco las páginas menos recientemente usadas.

Esquema de paginación Windows• En el disco se genera un archivo de

intercambio que contendrá las paginas que se vayan descargando.

• Cada página correspondiente a una aplicación tiene asignado un manejador (Handler) a un descriptor/paginador (PD) almacenado en ella.

Esquema de paginación Windows• Un PD contiene las direcciones de las rutinas

utilizadas para la transferencia de páginas entre la memoria física y el disco.

• Cuando se requiera cargar o descargar una página, el paginador hará una llamada a la función apropiada dependiendo del estado que la página tenga en ese momento. Los posibles estados de una página son los siguientes.

Esquema de paginación de Windows• Virgen: significa que el contenido de la página

no se ha modificado durante su tiempo de vida. Por ejemplo, las paginas de código EXE por lo general permanecen vírgenes.

• Corruptas: significa que el contenido de la página se ha modificado al menos una vez desde que se creó. Por ejemplo las páginas de datos.

Esquema de paginación de Windows• Limpia: significa que el contenido de la página

corrupta no fue modificado desde la última vez que se cargó.

• Sucia: el contenido de una página corrupta fue modificado desde la última vez que se cargó (por lo que será necesario "guardarlo" nuevamente en el archivo de intercambio).

Esquema de paginación de Windows• Los nombres y tarea que realizará cada una de

las funciones PD son:

• Pd_virgin: cargar pagina virgen.• Pd_taintedin: cargar pagina corrupta.• Pd_cleanout: descargar pagina limpia.• Pd_dirtyout: descargar pagina sucia.• Pd_virginfree: liberar pagina virgen.• Pd_taintedfree: liberar pagina corrupta.

Segmentación Paginada• Algunos sistemas operativos como Multics y la Serie

370 de IBM combinan las técnicas de segmentación y paginación para una mejora de los procesos.

• El proceso es el siguiente:

• Se hace la solicitud de acceso por medio de una dirección "V" la cual contiene los campos Segmento, Página y Desplazamiento.

Segmentación/Paginación• Con el campo Segmento, lo que se trata es de

acceder a una Tabla de segmentos, cada campo de dicha tabla apunta directamente a la tabla de páginas asignada para ese segmento conteniendo una dirección que será sumada a una dirección en la Tabla Asociativa para por fin formar una dirección real con el desplazamiento de "V".

Administración de Memoria en SO Móviles

• Symbian y algunos otros sistemas operativos empotrados manejan el concepto de “execute-in-place” para indicar que los programas no tienen que ser relocalizados ya que se pueden ejecutar de donde se encuentren, ¿cómo es posible esto?


• Los sistemas operativos móviles en muchas ocasiones tienen limitación en cuanto al tamaño de los procesos.

• Generalmente los sistemas operativos en dispositivos móviles son multitarea (aunque sólo hay un proceso a la vez) y de tiempo real (deben responder a eventos de manera inmediata, por ejemplo: recibir una llamada).


• La mayoría de la memoria generalmente se encuentra en áreas de memoria no persistente, pero poco a poco esta tendencia está cambiando.

• La gran mayoría de los kernels son del tipo nanokernel, en donde en el espacio del usuario corren diversos microkernels encargados de diversas funciones.


• Los sistemas operativos para móviles generalmente no cuentan con memoria virtual por los altos costos de implementarla.

• Generalmente los microprocesadores no tienen MMU (Memory Managment Unit) pero si la tienen, los sistemas operativos tratarán de utilizarla. Por lo que SO como Symbian y Windows CE pueden utilizar paginación.


• La mayoría de los SO móviles permiten el uso de DMA (Direct Memory Acces, Acceso Directo a Memoria).

• El sistema de memoria secundaria (Sistema de Archivos) está muy ligado al de memoria principal llegándose a confundir.

Mapa de Memoria

• El mapa de memoria es la forma en como está distribuida las particiones de memoria de un sistema operativo.

• El mapa de memoria ubica áreas de asignación a semejanza de un plano en donde se tienen países, estados, etc.

Mapa de memoria• El mapa de memoria va a depender del

sistema operativo y de la arquitectura de hardware del sistema de cómputo.

• El mapa de memoria puede ser totalmente independiente entre diferentes sistemas operativos que corren sobre la misma arquitectura.

Memoria expandida

• Es un tipo especial de memoria paginada en la cual se puede obtener acceso a más memoria que la que el podía direccionar (640 KB), por lo que se accedería el rango de 640 KB a 1 MB que está orientado a drivers de controladores en memoria ROM.

• Desde el 80386 los micros pueden utilizar memoria expandida sin ningún problema.

Memoria extendida• La memoria extendida es aquella que sobre

pasa 1 MB de memoria RAM y que es accesible en procesadores 80286 y superiores.

• Este tipo de memoria DOS no la maneja de manera nativa. Windows la maneja sin necesidad de algún controlador especial.

Mapa de Memoria DOS/Win 16

Tipos de Datos en Windows• BOOL (objeto de 32 bits para almacenar un solo valor

lógico)

• HANDLE

• DWORD (entero no señalado de 32 bits)

• LPSECURITY_ATTRIBUTE

• LPTSTR (definido como TCHAR *)

• LPCTSTR (definido como const TCHAR *)(Unicode: TCHAR puede ser char de 1 byte ó 2-bytes wchar_t)

Tipos de Datos en Unix• Los tipos de datos son dependientes de la

arquitectura de hardware.

• En general esos tamaños dependen de la longitud de palabra de los microprocesadores. Para micros IA64, se tendría como longitud 8 bytes para el entero, un long es el doble del entero, un short es la mitad de un entero. Generalmente los flotantes se manejan utilizando el formato de la IEEE, hay de 32 y 64 bits.

Memory

Memory Utilization

Paging

Paging Algorithm

Paging

Paging vs Segmentation

Memory Partitions

Memory Hierarchy

Computer Memory Space

OS Memory Space

Memory

Referencias• Tutorial de Sistemas Operativos 2. Instituto

Tecnológico de la Paz. http://sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/sistemasoperativos2/ [agosto 2007]

• Tanebaum, A., Woodhull, A. (1997) Sistemas Operativos. Diseño e Implementación. México, Prentice Hall. ISBN: 970-17-0165-8.

http://sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/sistemasoperativos2/

http://sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/sistemasoperativos2/

Referencias• Windows Operating System Internals - by

David A. Solomon and Mark E. Russinovich with Andreas Polze

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