Formas de gerência de memória

A seguir, são apresentados alguns dos métodos clássicos de gerenciamento de memória. Vale lembrar que aplicações comerciais modernas utilizam-se de variações e adaptações destes mecanismos.

Partições Fixas

Considerando sistemas multiprogramados, está é a forma mais simples de gerenciamento de memória. Quando o sistema operacional é carregado, divide a memória disponível em diversos partições fixas e de tamanho variado. Conforme os processos vão sendo alocados, as partições vão sendo ocupadas de forma aleatória. A figura G.4 mostra este esquema de divisão da memória.

Vantagens

é um sistema bastante simples de ser implementado.

Desvantagens

fragmentação interna: os processos carregados nas partições normalmente não ocupam todo o espaço disponível. Exemplos:

partição 2 é de 135KB, mas o processo ocupa apenas 130KB; foram desperdiçados 5KB que não poderão ser aproveitados em nenhum outro caso.
Partição 4 é de 100KB com um processo de apenas 36KB; foram desperdiçados 64KB que não poderão ser aproveitados em nenhum outro caso.

Fragmentação externa

temos uma partição livre de 80KB e um processo de 81KB para ser carregado; ocorre que temos memória livre, mas não poderá ser utilizada porque é menor que o processo carregado. Não há um reordenamento do espaço disponível para uma ocupação “mais inteligente.

Partições variáveis

Neste mecanismo de gerenciamento todo o espaço disponível é controlado pelo sistema operacional e as partições vão sendo criadas e ocupadas por processos no tamanho exato da partição.

Vantagens

não possui fragmentação interna, já que a partição usada é alocada com o tamanho exato do processo – isto significa um melhor aproveitamento do espaço de memória.

Desvantagens

Apresenta fragmentação externa, porque conforme o sistema vai alocando espaços vai gerando lacunas;
exige um mecanismo “eficiente” para gerenciamento de lacunas;

A figura G.5 procura representar a dinâmica das partições variáveis. As situações são explicadas a seguir:

temos o processo A com 85KB, B com 150KB, C com 50KB e um espaço disponível de 100KB;
O processo B encerrou, gerando uma lacuna de 150KB, enquanto os outros processos continuam em execução;

Um novo processo foi carregado (processo D) ocupando 100KB da lacuna gerada em b). com esta ocupação, uma lacuna de 50KB é gerada.

É necessário que o sistema tenha o controle dos espaços disponíveis e que tenha um mecanismo de escolha de “qual espaço” utilizar na locação de um novo processo. Os mecanismos possíveis são:

First-fit: utiliza a primeira lacuna com tamanho mínimo necessário disponível;
Best-fit: utiliza a lacuna que resultar na menor sobra (que gere uma nova lacuna de menor tamanho possível);
Worst-fit: utiliza a lacuna que resultar na maior sobra (que gere uma nova lacuna com maior tamanho possível);
Circular-fit: utiliza a lacuna disponível após a última sobra.

Este controle costuma ter um alto custo computacional, ou seja, o processador e o sistema operacional perdem muito tempo útil no controle destas estruturas.

Parágrafos

Pode-se reduzir o problema da fragmentação adotando unidades de alocação de tamanho fixo (32 bytes por exemplo). Estes blocos fixos são conhecidos como parágrafos. Quando um processo precisar de memória, irá ocupar um numero exato de parágrafos (que são blocos de 32 bytes). Isto permite ao sistema ter uma fragmentação interna máxima de 31bytes por processo carregado, o que é bem pouco significativo.

A figura G.6 procura representar a divisão por parágrafos. A memória está dividia em n blocos de 32 bytes (parágrafos) o processo A ocupa 3 blocos; o processo B ocupa 2 blocos; o processo C ocupa 3 blocos. Supondo que o processo B seja de 33 bytes, o maior espaço que desperdiçado será de 31 byte, que foram alocados mas não utilizados.

Este mecanismo mantem a necessidade de controle das lacunas disponíveis e por consequência ainda apresenta a desvantagem da fragmentação externa – tal qual o sistema de partições variáveis.

Paginação

A paginação é um mecanismo de gerenciamento de memória que apresenta pequena fragmentação interna e nenhuma fragmentação externa. Isto garante ao sistema que o implementa um melhor aproveitamento do hardware de memória. Páginas são blocos de alocação de tamanho fixo, que são ocupados por processos.

Basicamente, a memória física é dividia em páginas e estas páginas são mapeadas na memória lógica. Este mapeamento é feito pelo uso de uma tabela de páginas, que faz referência entre as páginas lógicas e as páginas físicas; além disso, as páginas possuem um registro de deslocamento interno, facilitando a localização da informação pelo sistema operacional.

Vale lembrar que memória lógica é a memória que o processo usa/vê e a memória física é a placa de memória efetivamente. A o interfaceamento entre as duas memórias é feito pelo hardware MMU, que no caso, irá implementar a tabela de paginas para o mapeamento. A figura G.7 procura representar este esquema.

Na figura, vemos a memoria lógica dividida em 3 páginas de 4 bytes cada e cada página com um processo (os processos estão divididos em 4 partes); vemos a memória física dividida também em n páginas. Cada página é identifiada com um endereço de 5 bits, sendo que os 3 primeiros bits (mais significativos) identificam o número da página enquanto os 2 últimos bites (menos significativos) indicam a localização (deslocamento) do byte dentro da página.

Está sendo mostrado também uma tabela de páginas, que é montada dentro da MMU e faz a relação entre as páginas. No caso:

a página lógica 000 está associada à página física 010;
a página lógica 001 está associada à página física 101;
e a página lógica 010 está associada a página 000;

Para localizar a informação Y2, vemos que está na página lógica 001, com deslocamento 01. este endereço é convertido na tabela de páginas para página física 101, com deslocamento 01.

Y2 está no endereço físico 101 01.

Para localizar Z3 por exemplo, verificamos que o mesmo está na página lógica 010, com deslocamento 10. Este endereço é convertido pela tabela de páginas e encontramos a página lógica 000, com deslocamento 10.

Z3 está no endereço físico 000 10.

Observa-se que não há necessidade de haver continuidade entre as páginas, ou seja, a página pode ser montada em qualquer localização da memória física.

Problemas
O problema deste mecanismo de paginação está em definir o melhor tamanho de página, uma memória dividida em páginas grandes terá uma quantidade menor de páginas, dando menos “trabalho” para o processador cuidar do mapeamento. Por outro lado, isto aumenta a fragmentação interna (em cada página). Conforme Oliveira “na prática, os tamanhos de página variam entre 1Kbyte e 8Kbytes”.

Alguns outros controles também precisam ser implementados, como um mecanismo controle de páginas livres e controle de páginas ocupadas.

Segmentação

Outra forma de gerenciamento de memória, mais intuitiva para o programador e o compilador é a segmentação, que divide a memória em segmentos tipicamente correspondentes a: código, dados estáticos, dados dinâmicos e pilha de execução.

Neste mecanismo a memória lógica é dividida em segmentos; uma endereços desta memória passa a ser identificado por um segmento + um deslocamento em relação ao inicio do segmento. Na carga do processo, estes segmentos são copiados para a memória física e a tabela de segmentos (também “hospedada” na MMU) é construída.

Para endereçar sua área de memória, os processos geram endereços lógicos compondo o número do segmento associado a um deslocamento dentro do segmento. A MMU recebe esta informação e procura o segmento correspondente na tabela de segmentos e o deslocamento é comparado com o limite – se exceder, há uma violação de endereço e uma interrupção de acesso ilegal a memória é gerada, encerrando o processo. Se o deslocamento é valido, a MMU soma o deslocamento ao limite base para localizar o endereço na memória física.

A figura G.8 procura demonstrar o mecanismo de segmentação.

Para localizar informações em um sistema de memória segmentada:

Localizando D1

o endereço lógico gerado será: segmento 01 com deslocamento 00000;
verificando na MMU, o segmento 01 tem base 00000 e limite 0100;

a MMU diz que o endereço procurado é válido, porque deslocamento 00000 está entre a base e o limite;
endereço físico é a soma entre base 00000 com deslocamento 00000, no caso 00000;

Localizando C3

o endereço lógico gerado será: segmento 00 com deslocamento 00010;
verificando na MMU, o segmento 00 tem base 01000 e limite 0110;

a MMU diz que o endereço procurado é válido, porque deslocamento 00010 está entre a base e o limite estabelecidos;
endereço físico é a soma entre base 01000 com deslocamento 00010, no caso 01010;

Localizando P2

o endereço lógico gerado será: segmento 10 com deslocamento 00001;
verificando na MMU, o segmento 10 tem base 10100 e limite 0011;

a MMU diz que o endereço procurado é válido, porque deslocamento 00001 está entre a base e o limite estabelecidos;
endereço físico é a soma entre base 10100 com deslocamento 00001, no caso 10101;

Localizando P4

este é um endereço “fantasma” - não existe na memória lógica;
o endereço lógico INFORMADO É: segmento 10 com deslocamento 00011;
verificando na MMU, o segmento 10 tem base 10100 e limite 0011;
- a MMU diz que o endereço procurado NÃO É válido, porque deslocamento 00011 mais base 10100 (10111) excedem o limite estabelecido na MMU 0011);

Segmentação paginada

Apesar de ser mais intuitiva para os programadores, a segmentação traz novamente o problema da fragmentação externa, causado pelas repetidas alocações/liberações de blocos de memória (segmentos).

A segmentação paginada resolve o problema desta fragmentação, fazendo uma associação entre segmentação e paginação.

Neste caso temos uma memória lógica que lista uma tabela de segmentos e cada segmento contém uma tabela de páginas (exclusiva do segmento). O endereço de uma informação é composto pelo conjunto número do segmento, número da página e deslocamento dentro da página.