Sistemas Operacionais

Aula 14: Memória Virtual

Referências

Capítulo 9:

Idade da Pedra Lascada

Idade da Pedra Polida

Idade Média

Idade Virtual

Idade Virtual 2

Memória Virtual

Possibilita a execução de processos parcialmente na memória:

Portabilidade: programas podem ser escritos sem limitações de memória disponível;
- A quantidade de memória disponível afeta somente a performance, não o programa
Nem sempre a execução usa todo o espaço de endereçamento todas as vezes;
- Programas complexos como Adobe Photoshop tem centenas de subrotinas (e.g. uma para cada filtro de imagem)
Mas raramente se usa mais de um ou dois filtros a cada vez.

Memória Virtual

Mais rápido para executar -- não precisa ler todo o código e dados;
- Imaginem carregar todos os filtros do Photoshop antes de rodar
Mais processos podem executar ao mesmo tempo;
Mudança de paradigma: programas podem assumir um espaço de endereçamento infinito.
- Quer ler um arquivo enorme ?
  
  o Mapeie o conteúdo do arquivo na memória virtual;

Paginação sob Demanda

Um paginador preguiçoso é usado para implementar memória virtual:

Na hora de executar o processo o paginador carrega somente as páginas necessárias agora.

Problema: O que acontece quando o programa acessa uma página que não está na memória ?

Com paginação isto significa que a página é inválida;
Com memória virtual isto pode significar que a página não está na memória.

Page Fault

Acesso com paginação:

Se uma página p não está na tabela de páginas, ela não existe.

Page Fault

Acesso com memória virtual:

Se uma página p não está na tabela de páginas:

Ela pode não existir;
Ou pode não estar na memória.

Page Fault

Acrescentar um bit válido/inválido à tabela de páginas.

Quando o acesso for feito à uma página inválida, gerar uma interrupção de page fault.

Page fault:

Libera uma página da memória principal;
Lê a página desejada do disco e a coloca no lugar da página retirada;
Atualiza a tabela de páginas;
Retorna o processamento ao processo.

Page Fault

Quando o processo voltar a executar a página estará na memória e a tabela de páginas correta.

Page faults são transparentes ao processo:
- quando ocorrem são interrupções;
- quando terminam o processo continua sem problemas.

Desta forma o programa não precisa estar ciente da existência de page faults, somente de um espaço de endereçamento muito grande.

Problemas com Memória Virtual

As vantagens são muitas. Mas quais são as desvantagens ?

Implementação é complexa:
Performance: tempo de execução pode variar muito de execução para execução:
- ou pode até mesmo ter resultados diferentes! Por exemplo, e se o disco não conseguir ler a página da próxima vez ?

Problemas com Memória Virtual

Qual página tirar quando ocorrer um page fault?
- a escolha afeta a performance de forma significativa
E se a rotina de page fault não estiver na memória ?
- deadlock!
Arquitetura do processador fica muito mais complicada:

ADD (R1), (R2), (R3)

Se der page fault no endereço (R3) o processador tem que gerar uma interrupção no meio da instrução!
E se der page fault nas três páginas acessadas? Localidade faz com que isto ocorra raramente.

Preço de Page Faults

A. Acesso à página na memória: 126ns. Média de:

TLB hit: 120ns
TLB miss: 420ns

B. Acesso à página no disco:

420ns +
8ms (latência do disco) +
15ms (seek) +
1ms (transferência de dados)

ou seja, uns 25ms.

Tempo de acesso é (p é a probabilidade de page fault)

(1 - p). 126 + p . 25.000.000!!!

Agora vocês sabem porque é melhor comprar mais 32megs do que trocar o P133 por um PII400...

Swap Space

Aonde guardar as páginas descartadas da memória ?

No arquivo de onde elas vieram;
E se as elas contiverem variáveis dinâmicas?

Solução: reservar um espaço em disco como swap, i.e., armazenamento temporário de dados.

Swap é mais eficiente do que arquivos em geral:

Alocação pode ser em blocos maiores;
Mais fácil de achar dados, não tem que procurar o arquivo no diretório.

Swap Space

Quando usar swap e quando usar arquivo ?

Swap só quando o arquivo não existe;
Ler de arquivo e gravar em swap:
- no final é necessário ``flush'' o swap.
Copiar o arquivo inteiro no swap;

Solução 2 é um compromisso razoável; é usado no BSD Unix.

Swap Space

Swap pode ser de várias formas:

Um arquivão de tamanho fixo:
Um arquivo de tamanho variável:
Uma partição separada: