memoria by 1DdJ6dR

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									                    Gestión de memoria




Recinto Universitario Augusto C. Sandino   0
Sistemas Operativos
                                           Índice


     1. Objetivos del sistema de gestión de memoria
     2. Modelo de memoria de un proceso
     3. Esquemas de memoria basados en asignación
       contigua
     4. Memoria virtual
     5. Archivos proyectados en memoria
     6. Servicios de gestión de memoria




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Sistemas Operativos
               1. Objetivos del sistema de
                   gestión de memoria




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Sistemas Operativos
   1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

• En sistemas con multiproceso, el S.O. debe ―repartir‖ los
  recursos entre los procesos existentes:
   – Reparto de procesador: Gestión de procesos
   – Reparto de memoria: Gestión de memoria

• Objetivos del Gestor de Memoria
   A. Espacios lógicos independientes
   B. Protección entre procesos
   C. Compartición de Memoria (procesos ligeros)
   D.Soporte a las regiones del proceso
   E. Maximizar el grado de multiprogramación
   F. Mapas de memoria de un tamaño                adecuado
      (normalmente grandes)



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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

A. Espacios lógicos independientes
•    A priori no se conoce la posición de memoria que ocupará un
     programa cuando vaya a ejecutarse (estado de ocupación de la
     memoria)
•    Código en ejecutable genera referencias entre 0 y N
•    Ejemplo: Programa que copia un vector

                Fichero Ejecutable         –Vector destino a partir de
         0
         4
                                           dirección 2000
         ....       Cabecera
         96                                –Tamaño del vector en dirección
         100
         104
                  LOAD R1, #1000
                  LOAD R2, #2000
                                           1500
         108      LOAD R3, /1500
         112      LOAD R4, [R1]            –Vector origen a partir de dirección
                                           1000
         116      STORE R4, [R2]
         120      INC R1
         124      INC R2
         128      DEC R3
         132      JNZ /12
         136      .................




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Sistemas Operativos
   1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

Se supone que el código del SO reside en
   las posiciones más altas.
El programa se carga en la posición 0 y para
   que se ejecute ha de pasársele el control              Memoria

   (es decir, que el contador del programa     0
                                               4
                                                       LOAD R1, #1000
                                                       LOAD R2, #2000
   apunte a esta posición).                    8       LOAD R3, /1500
                                               12      LOAD R4, [R1]
• Problema:Como se ve, no coinciden las        16      STORE R4, [R2]
   direcciones usadas en el programa con la    20
                                               24
                                                       INC R1
                                                       INC R2
   posición a partir de la cual se carga el    28      DEC R3
                                               32      JNZ /12
   programa. Suponer por ejemplo, que el       36      .................
   programa se cargara a partir de la          ....

   posición 10000....
• Solución: Reubicación de direcciones                Sistema Operativo
   lógicas a físicas




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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria
•   Reubicación: Traducir direcciones lógicas a direcciones físicas
    dependientes del hardware mediante una función de traducción. La
    reubicación permite crear un espacio lógico independiente para cada
    proceso y el S.O. debe poder acceder a los espacios lógicos para realizar
    la traducción.
     – Direcciones lógicas: direcciones de memoria generadas por el
         programa
     – Direcciones físicas: direcciones de memoria principal asignadas
•   Función de traducción:
        Traducción(IdProc, dir_lógica)  dir_física
     – Ejemplo:
        El programa tiene asignada memoria a partir de la dirección 10000
        Reubicación: sumar 10000 a direcciones lógicas
     – Implementación:
        o Hardware
        o Software

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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

•    Reubicación Hardware: la MMU (memory management unit) se
     encarga de la traducción
•    Proceso:
      – Programa se carga en memoria sin modificar
      – El S.O. almacena por cada proceso su función de traducción
      – El S.O. especifica a la MMU qué función aplicar para cada proceso
                                                                                   Memoria



                             Procesador                            10000        LOAD R1, #1000
                                                                   10004        LOAD R2, #2000
                                           HW traducción           10008        LOAD R3, /1500
                          PC                                       10012        LOAD R4, [R1]
                           8                  10000                10016        STORE R4, [R2]
                                                           11500
                     R. Instrucción 1500                           10020        INC R1
                                                +                  10024        INC R2
                    LOAD R3, /1500
                                                                   10028        DEC R3
                                                                   10032        JNZ /12
                                                                   10036        .................
                                                                   ..........




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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

•    Reubicación software: traducción de
     direcciones durante carga del programa.
     Esta solución se usa en sistemas sin el
     hardware específico de traducción                          Memoria
     (MMU).
•    Proceso:
      – El programa se carga con las             10000        LOAD R1, #11000
         direcciones ya traducidas               10004        LOAD R2, #12000
                                                 10008        LOAD R3, /11500
      – Se genera un código diferente del        10012        LOAD R4, [R1]
         programa ejecutable                     10016        STORE R4, [R2]
                                                 10020        INC R1
•    Desventajas:                                10024        INC R2
      – No asegura protección (no se             10028        DEC R3
         verifica cada dirección a usar, sino    10032
                                                 10036
                                                              JNZ /10012
                                                              .................
         que     se  usan    las   direcciones   ..........
         generadas tras el proceso de carga)
      – No permite mover programa en
         tiempo de ejecución (suponer que
         es necesaria la reubicación del
         espacio asignado al proceso, por
         necesitar más espacio.....)


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Sistemas Operativos
   1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

B. Protección entre procesos
La protección es diferente según sea un sistema Mono o Multi programado:
    Sistema MonoProgramado: La intrusión se dará solamente entre el
       programa y el S.O.
    Sistema MultiProgramado: La intrusión puede venir tanto de otros
       procesos como de otros usuarios además del riesgo del sistema
       Monoprogramado.
• Acciones
    – La traducción de direcciones debe crear espacios disjuntos
    – Es necesario validar todas las direcciones que genera el programa
        • La detección de alguna intrusión debe realizarla el hardware del
            procesador (MMU), ya que hay que realizarla en tiempo de
            ejecución
        • El tratamiento de alguna intrusión lo hace el SO
    – En sistemas con mapa de E/S y memoria común:
    – Traducción permite impedir que los procesos accedan directamente
       a dispositivos de E/S



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Sistemas Operativos
   1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

  C. Compartición de Memoria (procesos ligeros)
  La compartición de memoria entre procesos da soporte a la creación de
       procesos ligeros y está controlado por el S.O.
  •    Acciones:
        – Las direcciones lógicas de 2 o más procesos se corresponderán con
           una misma dirección física.
        – La memoria asignada a cada proceso no puede ser ya contigua.
        – La función de traducción en estos casos se va haciendo más
           compleja.                        Mapa proceso 1
                                                                Memoria
  •    Ventajas:                              zona privada 1

        – Procesos ejecutando mismo          zona compartida zona priv. 1 (P1)
          programa comparten su                              zona priv. 1 (P2)
          código
                                              zona privada 2


        – Mecanismo de comunicación
                                                             zona compartida
                                            Mapa proceso 2
          entre procesos muy rápido           zona privada 1
                                                             zona priv. 2 (P2)

                                                              zona priv. 2 (P1)
                                            zona compartida


                                             zona privada 2


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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

•  Problemas:
    – Requiere       asignación     no
      contigua                                    Mapa proceso 1
                                                                             Memoria
    – Si la posición de zona
      compartida              contiene     2000
      referencia a otra posición de               zona compartida
      la zona compartida, no se
      puede saber a qué dirección                                         zona compartida
                                                                    10000 ¿1100 ó 2100?
      se refiere puesto que cada                                    10100
      proceso     ligero   verá    esa            Mapa proceso 2
      dirección de forma diferente
Ejemplo: Si el código, que es común,       1000
   contiene una bifurcación, no se                zona compartida
   podrá determinar a qué dirección
   se debe saltar, dependiendo del
   proceso que esté ejecutando el
   código
                                                     lógico                   físico

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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

D. Soporte de las regiones del proceso
El mapa de memoria de un proceso no es homogéneo, ya que las regiones
     contienen diferentes tipos de información (código, datos y pila
     normalmente) y poseen diferentes características
•    Acciones:
      – Hacer mapa de memoria dinámico:
         • Regiones cambian de tamaño (p.ej. pila)
         • Se crean y destruyen regiones (el sistema de memoria debe
            controlar qué regiones están presentes, así como su tamaño)
         • Existen zonas sin asignar (huecos, con carácter dinámico)
      – Detectar accesos no permitidos a una región ( de sólo lectura por
        ej)
      – Detectar accesos a huecos
      – Evitar reservar espacio para huecos
      – Guardar y gestionar una tabla de regiones para cada proceso




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Sistemas Operativos
   1. Objetivos del sistema de gestión de memoria
E. Maximizar el grado de multiprogramación
El reparto de memoria debe ser tal que             Aprovechamiento de memoria
   maximize el grado de multiprogramación            óptimo es irrealizable!!!!
   para evitar el desperdicio de memoria           Tablas de gestión demasiado
• Memoria desperdiciada                                      grandes
    – Restos        (huecos)       inutilizables
       (fragmentación)                                                Memoria
    – Tablas requeridas por gestor de                0    Dirección 50 del proceso 4
       memoria                                       1    Dirección 10 del proceso 6
• Acciones                                           2    Dirección 95 del proceso 7
    – Crear bloques de asignación de                 3    Dirección 56 del proceso 8
       menor tamaño                                  4    Dirección 0 del proceso 12
    – Gestionar las tablas de asignación                  Dirección 5 del proceso 20
                                                     5
       más eficientemente
                                                     6    Dirección 0 del proceso 1
    – Se opta por la paginación
    – Uso     de    memoria     virtual     para          .........................................
                                                          .........................................
       aumentar            grado              de
       multiprogramación                            N-1   Dirección 88 del proceso 9
                                                     N    Dirección 51 del proceso 4

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Sistemas Operativos
    1. Objetivos del sistema de gestión de memoria

F. Mapas de memoria de                     un   tamaño      adecuado
   (normalmente grandes)
Los procesos necesitan cada vez mapas más grandes: aplicaciones más
   novedosas, más recursos gráficos, más carga computacional....
•    Acciones
      – Utilizar Memoria Virtual
      – Hacer que el usuario disponga virtualmente de una enorme cantidad
        de memoria física
•    Otras opciones (antigua)
      – Overlays
         • Programa dividido en fases que se ejecutan sucesivamente
         • En cada momento sólo hay una fase residente en memoria
         • Cada fase realiza su labor y carga la siguiente
         • No es transparente: Toda la labor realizada por programador




Recinto Universitario Augusto C. Sandino                        14
Sistemas Operativos
            2. Modelo de memoria de un
                      proceso

         2.1.      Introducción
         2.2.      Fases en la generación de un ejecutable
         2.3.      Mapa de memoria de un proceso
         2.4.      Operaciones sobre regiones




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   Modelo de memoria de un proceso

         2.1. Introducción

  – El S.O. es el responsable de la gestión de memoria de
       cualquier proceso.
  – El mapa inicial de memoria de un proceso está relacionado
       con el archivo ejecutable que generará el proceso
  – ¿Cómo generar el mapa de memoria inicial a partir del
       ejecutable?
  – ¿Cómo se organiza el mapa de memoria?
  – ¿Cuáles son sus características básicas?
  – ¿Qué operaciones se pueden realizar en el mapa de
       memoria?

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    Modelo de memoria de un proceso

         2.2. Fases en la generación de un ejecutable
•    Aplicación: conjunto de módulos en lenguaje de alto nivel
•    Procesado en dos fases: Compilación y Montaje

•    Compilación:
      – Se asignan direcciones a los
                                            Módulo              Módulo
        símbolos definidos
                                           fuente A            fuente B
      – Resuelve referencias a los
        símbolos de cada módulo
      – Genera módulo objeto                          Compilador


•    Montaje (o enlace):                   Módulo              Módulo
                                                                                Bibliotecas
                                           objeto A            objeto B
      – Resuelve referencias entre
        módulos objeto
      – Resuelve referencias a símbolos                       Montador
        de bibliotecas
                                                               Fichero
      – Genera      resultado   (archivo
                                                              ejecutable
        ejecutable), que incluye las
        bibliotecas usadas


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    Modelo de memoria de un proceso
Biblioteca: colección de módulos objeto relacionados. Algunas bibliotecas
   son proporcionadas a los usuarios (bibliotecas) del sistema, mientras
   que otras habrán sido creadas por los usuarios (propias) (por ejemplo,
   bibliotecas de entrada salida, incluyendo las funciones como printf,
   getchar, etc, o las llamadas al sistema de POSIX)
•   Tipos:
     Estáticas: el montaje enlaza los módulos
        objeto del programa y de las bibliotecas,
        dando    como     resultado   un    ejecutable
        autocontenido.                                             Main

         • Desventajas:                                         Función A
              – Ejecutables grandes                              Función B
                                                                                     Código

              – Código de función de biblioteca           Función de biblioteca F1
                repetido                                  Función de biblioteca F2
              – Múltiples copias en memoria del
                código de función de biblioteca
              – La    actualización   de     biblioteca
                implicaría volver a montar


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   Modelo de memoria de un proceso

      Dinámicas: la carga y montaje se hace en tiempo de ejecución. El
        ejecutable contiene únicamente el nombre de la biblioteca y la
        rutina de carga y montaje en tiempo de ejecución
          • Proceso de carga:
              – La rutina de carga y montaje incorpora la biblioteca
                correspondiente.
              – Se ajustan las instrucciones que realizan las referencias
                a dicho símbolo, de forma que las próximas referencias
                accedan al símbolo de biblioteca correspondiente, sin que
                sea necesario activar de nuevo el proceso de montaje de la
                biblioteca.
              – Para evitar modificar el código del programa, en este
                proceso, se suelen utilizar referencias indirectas
                mediante una tabla que recoge todos los símbolos
                correspondientes a bibliotecas dinámicas. Hay que tener en
                cuenta que en algunos S.O. los segmentos de código
                ejecutables no son modificables




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   Modelo de memoria de un proceso

            • Ventajas:

                  –   Menor tamaño ejecutables
                  –   Código de rutinas de biblioteca sólo en archivo de biblioteca
                  –   Procesos pueden compartir código de biblioteca
                  –   Actualización automática de bibliotecas: uso de versiones.
                      Suele haber en un sistemas varias versiones de la misma
                      biblioteca. Cuando un programa hace referencia a uno de
                      sus símbolos, se busca la versión adecuada

            • Desventajas:

                  – Mayor tiempo de ejecución debido a carga y montaje. Se
                    trata de un retraso tolerable, ya que se compensan el resto
                    de las ventajas
                  – Ejecutable no autocontenido




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   Modelo de memoria de un proceso

            • Forma de uso :
               1. Enlace dinámico implícito: Se especifica en tiempo de
                  montaje qué biblioteca usar, pero se pospone su carga y
                  montaje a tiempo de ejecución.
               2. Uso explícito:
                   » Requerido por aplicaciones que determinan en tiempo
                      de ejecución qué bibliotecas deben usar
                   » No se especifica la biblioteca en mandato de montaje
                   » Es el programa quien solicita la carga de bibliotecas
                      mediante servicio del sistema (dlopen en UNIX y
                      LoadLibrary en Win32)
                   » El acceso a los símbolos de la biblioteca ya no es
                      transparente, sino que se ha de hacer desde el propio
                      programa, mediante los servicios apropiados del
                      sistema (dlsym en UNIX y GetProcAddress en Win32)




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    Modelo de memoria de un proceso

•     El uso de bibliotecas dinámicas es transparente. Es decir, los
      mandatos de compilación y montaje son idénticos que en el caso de las
      estáticas
•     Si la biblioteca dinámica contiene referencias internas (a símbolos
      definidos en la misma) existe el problema, ya comentado, de la zona
      compartida con autoreferencias
•     Tres posibles soluciones:
      1. A cada biblioteca dinámica se le asigna un rango de direcciones
           fijo
           • Inconveniente: Poco flexible
      2. En montaje en tiempo de ejecución se reajustan
           autoreferencias
           • Inconveniente: Impide compartir código de biblioteca
      3. Crear biblioteca con código independiente de posición (PIC)
           • Se genera código con direccionamiento relativo a registro
           • Inconveniente (tolerable): direccionamiento relativo menos
                eficiente

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    Modelo de memoria de un proceso

Ficheros ejecutables

•    Distintos fabricantes usan diferentes formatos

      – Ejemplo: En Linux Executable and Linkable Format (ELF)

•    Estructura: Cabecera y conjunto de secciones

•    Cabecera: información de control que permite interpretar el contenido
     del ejecutable. Suele incluir la siguiente información:
      – Número mágico que identifica a ejecutable. Por ejemplo, en
         formato ELF el primer byte debe contener el valor hexadecimal 7f,
         los tres siguientes los caracteres E, L y F
      – Punto de entrada del programa: es decir, el valor que inicialmente
         contendrá el contador del programa
      – Tabla de secciones. Para cada una de ellas se especifica: tipo,
         dirección de comienzo en el archivo y tamaño.
           Ejemplo:
                    » Tabla de símbolos para depuración
                    » Lista de bibliotecas dinámicas usadas

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   Modelo de memoria de un proceso



                                 Fichero Ejecutable
                            0         Número mágico                                   Despl.      Tam.
                                Contador de programa inicial   Código                 1000       4000
         Cabecera
                                       ....................    Datos con v.i. 5000               1000
                                    Tabla de secciones         Datos sin v.i. ------             500
                        1000                                   ...................... ........   ........

                                           Código              T. Símbolos           8000 1000

                        5000
         Secciones                 Datos con valor inicial


                                     ................

                        8000
                                     Tabla de símbolos




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    Modelo de memoria de un proceso
•    Las secciones más relevantes se volcarán en el mapa de memoria del
     proceso: código, datos con valor inicial y datos sin valor inicial

      – Código (texto): contiene el código del programa

      – Datos con valor inicial: variables globales inicializadas

      – Datos sin valor inicial: variables globales no inicializadas: aunque
        aparece en la tabla de secciones no se almacena en el ejecutable, ya
        que su contenido no es relevante

•    No hay sección vinculada a variables locales, ya que estas tienen
     carácter dinámico (se crearán en la pila del proceso, cuando los
     procedimientos en que aparecen sean invocados)




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   Modelo de memoria de un proceso


  •    Variables globales
        – Estáticas
        – Se crean al iniciarse programa
        – Existen durante toda la ejecución del proceso
        – Dirección fija en memoria y en ejecutable

  •    Variables locales y parámetros
        – Dinámicas
        – Se crean al invocar la función
        – Se destruyen al retornar
        – La dirección se calcula en tiempo de ejecución
        – Recursividad: varias instancias de una variable




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   Modelo de memoria de un proceso

  •    Ejemplo:


         int x=8;             /* Variable global con valor inicial */
         int y;               /* Variable global sin valor inicial */

         f(int t){            /* Parámetro */
             int z;           /* Variable local */
             .......
         }
         main(){
             .......
         }




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Sistemas Operativos
    Modelo de memoria de un proceso

         2.3. Mapa de memoria de un proceso
•    El mapa de memoria o imagen del proceso estará compuesto por un
     conjunto de regiones o segmentos; cada una de ellas almacena
     cierto tipo de información

•    Cada región:

      – Tiene asociada una información (un ―objeto de memoria‖)
      – Consiste en una zona contigua tratada como unidad al proteger o
        compartir
      – Se caracteriza por:
          • Dirección de comienzo y tamaño inicial
          • Soporte: donde se almacena su contenido inicial (soporte en
            archivo y sin soporte, es decir, objeto sin contenido inicial)
          • Protección: RWX
          • Uso compartido o privado
          • Tamaño fijo o variable

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Sistemas Operativos
    Modelo de memoria de un proceso

•    La ejecución de un programa crea un mapa de memoria a partir
     del archivo ejecutable. Cada sección del ejecutable da lugar a una
     región del mapa inicial.

      – Código (texto): compartida, lectura y ejecución, tamaño fijo,
        soporte en archivo ejecutable

      – Datos con valor inicial: privada, lectura y escritura, tamaño fijo,
        soporte en archivo ejecutable

      – Datos sin valor inicial: privada, lectura y escritura, tamaño fijo, sin
        soporte (se rellena a ceros en algunos lenguajes)

      – Pila: privada, lectura y escritura, tamaño variable, sin soporte. Crece
        hacia direcciones más bajas. La pila inicial sólo contiene los
        argumentos de llamada al programa




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Sistemas Operativos
   Modelo de memoria de un proceso


                       Fichero ejecutable                Mapa de memoria
                   0                                0
                           Número mágico
 Cabecera                                                      Código
                        Contador de programa
                                inicial
                                                  4000
                                                           Datos con valor
                          Tabla de secciones                   inicial
               1000                               5000
                                                           Datos sin valor
Secciones                       Código                         inicial
                                                  5500
               5000
                            Datos con valor
                                inicial
               8000



                           Tabla de símbolos                    Pila



                        Argumentos del programa


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Sistemas Operativos
   Modelo de memoria de un proceso

  •    Durante ejecución de proceso se crean nuevas regiones. Es decir, el mapa
       de memoria tiene un carácter dinámico. Las nuevas regiones creadas en tiempo
       de ejecución pueden ser:
        – Región de Heap
             • Soporte de memoria dinámica (malloc en C)
             • Privada, lectura y escritura, tamaño variable, sin soporte (inicializada a
               cero)
             • Crece hacia direcciones más altas
        – Archivo proyectado
             • Región asociada al archivo proyectado
             • Tamaño variable, soporte en archivo
             • Protección y carácter compartido o privado especificado en la proyección
        – Memoria compartida
             • Región asociada a la zona de memoria compartida
             • Compartida, tamaño variable, sin soporte (inicializada a 0)
             • Protección especificada en proyección
        – Pilas de threads
             • Cada pila de thread corresponde con una región.
             • Estas regiones constan de las mismas características que las asociadas a
               la pila del proceso


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Sistemas Operativos
   Modelo de memoria de un proceso

 Región                Soporte             Protección Comp/Priv Tamaño

 Código                Fichero             RX          Compartida Fijo

 Dat. con v.i. Fichero                     RW          Privada     Fijo

 Dat. sin v.i.         Sin soporte RW                  Privada     Fijo

 Pilas                 Sin soporte RW                  Privada     Variable

 Heap                  Sin soporte RW                  Privada     Variable

 F. Proyect.           Fichero             por usuario Comp./Priv. Variable

 M. Comp.              Sin soporte por usuario Compartida Variable




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Sistemas Operativos
   Modelo de memoria de un proceso




Recinto Universitario Augusto C. Sandino   33
Sistemas Operativos
   Modelo de memoria de un proceso

         2.4. Operaciones sobre regiones

  Para estudiar la evolución del mapa de memoria a lo largo de la ejecución
     de un proceso, se pueden distinguir las siguientes operaciones:

        – Crear región: Implícitamente al crear mapa inicial (por parte del
          SO) o por solicitud del programa en tiempo de ejecución de
          ejecución (por ejemplo, al cargar una biblioteca dinámica)

        – Eliminar región: Implícitamente al terminar el proceso o por
          solicitud del programa en tiempo de ejecución (por ejemplo, al
          desproyectar un archivo)

        – Cambiar tamaño de la región: Implícitamente para la pila o por
          solicitud del programa para el heap (cuando se hace malloc)

        – Duplicar región: Operación requerida por el servicio fork de POSIX


Recinto Universitario Augusto C. Sandino                           34
Sistemas Operativos
    3. Esquemas de memoria basados
          en asignación contigua

                 3.1.     Esquema hardware
                 3.2.     Gestión del SO
                 3.3.     Política de asignación de espacio
                 3.4.     Valoración del esquema contiguo




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Sistemas Operativos
   Esq. de mem. basados en asignación contigua

         3.1. Esquema Hardware
El mapa de proceso se ubica en una zona contigua de la memoria
   principal.
Proceso:
    – El S.O. busca un hueco en memoria de tamaño suficiente para
      alojar su mapa de memoria del proceso que comienza.
    – El S.O. reserva la parte del hueco necesaria y crea en ella el
      mapa inicial del proceso
    – Se establece la función de traducción, de forma que las
      direcciones del programa se correspondan con las direcciones
      existentes en el hueco asignado.

Hardware requerido:
    – Registros valla (registro base y registro límite). Estos dos registros
      sólo son accesibles en modo privilegiado.
    – Los registros valla están desocupados cuando el S.O. toma el control
      para acceder a todo el mapa de memoria.

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Sistemas Operativos
    Esq. de mem. basados en asignación contigua

•    Registro límite: Se comprobará que las direcciones usadas por el
     proceso no excedan el valor almacenado en él.
•    Registro base: Una vez realizada la comprobación anterior, se suma a
     cada dirección el valor contenido en este registro, de forma que se
     obtiene la dirección física pertinente.
                                                                     Memoria
                                                                 0

                                                                     Proceso 4
                     Procesador                              10000
                PC              Hard. traducción (MMU)       10200
                                                                     Proceso 7
                 8                R. límite        R. base
                                                             15036
                                  4000             21000             Proceso 3
       Registro instrucción
                                              NO             20500
                                                             21000
         LOAD R3, /1500              >               +
                                                                     Proceso 2
                                                             22500
                                         SI
                                                             25000
                                 Excepción
                                                                 N

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Sistemas Operativos
   Esq. de mem. basados en asignación contigua

         3.2. Gestión del SO

El S.O. almacena en el BCP cuáles son los valores de los registros
   valla.

Dedica una estructura para conocer en todo momento el estado de la
   memoria, identificando qué huecos están libres. Normalmente se usa
   una lista en la que se almacena la dirección inicial y el tamaño de cada
   hueco.
La gestión de esta lista obliga a comprobar, al desocupar espacio, si el
   nuevo espacio libre puede unirse a huecos vecinos.
Problema:Según se van ejecutando procesos van quedando fragmentos de
   memoria libres, que debido a su tamaño no podrán ser usados en
   asignaciones de espacio a memoria. Este problema se denomina
   fragmentación externa y conlleva una mala gestión de memoria.
Solución tradicional: Compactar los huecos de forma que queden
   contiguos. Para ello es necesario reajustar los registros valla de los
   procesos. INEFICIENTE.
Recinto Universitario Augusto C. Sandino                         38
Sistemas Operativos
   Esq. de mem. basados en asignación contigua

         3.3. Política de asignación de espacio
El S.O. debe considerar qué espacio, de los huecos libres, se usará
    intentando encontrar un equilibrio entre buen aprovechamiento de
    espacio y tiempo de respuesta corto, es decir, se aplica un algoritmo
    de decisión que debe ser eficiente.
Este problema es un clásico: ¿Cómo asignar espacio para su
    aprovechamiento óptimo?. Existen tres posibles enfoques:
    a) Mejor ajuste (best-fit). Se elige la zona libre más pequeña donde
        quepa el mapa del proceso.
        •    Problema: Conlleva crear nuevos huecos de tamaño pequeño.
             Además, elegir el hueco más pequeño obliga a mantener
             ordenados por tamaño los huecos disponibles. No es eficiente
    b) Peor ajuste. Se busca el hueco más grande, intentando evitar la
        generación de huecos pequeños. Sigue precisando mantener el
        control de los tamaños
    c) El primero que ajuste (first-fit). Suele ser la mejor política. Muy
        eficiente, ya que basta con encontrar una zona libre de tamaño
        suficiente, y ofrece un aprovechamiento aceptable
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Sistemas Operativos
    Esq. de mem. basados en asignación contigua

         3.4. Valoración del esquema contiguo
•    Valoracion:
      – Espacios independientes para procesos: mediante registros valla
      – Protección: mediante registros valla
      – Compartir memoria: no es posible
      – Soporte de regiones:
          • No existe (no hay mecanismo de permisos sobre el espacio
            asignado a cada proceso)
          • Se reserva espacio para huecos, ya que el espacio asignado al
            proceso en primera instancia debe servir para todo su tiempo de
            vida
      – Maximizar rendimiento:
          • Mal aprovechamiento de memoria por fragmentación externa
      – Mapas de MV de tamaño adecuado:
          • No permite memoria virtual




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                                4. Intercambio




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Sistemas Operativos
   Intercambio

¿Qué hacer si no caben todos los programas en memoria principal?

Usar disco (dispositivo swap) como respaldo de la memoria principal. Si
  no caben en memoria todos los procesos activos, se elige un proceso
  residente y se copia en disco su imagen de memoria
Expulsar (swap-out) a los procesos bloqueados. El proceso de
  expulsión no implica copiar toda la imagen del proceso (por ejemplo, no
  es preciso ocupar los huecos ni el código, al poder recuperarse
  fácilmente del ejecutable). Un proceso expulsado vuelve a cargarse
  (swap-in) cuando esté listo para ejecutar y haya espacio en memoria.

Políticas de asignación de espacio en swap:
    Preasignación: al crear el proceso se reserva espacio de swap.
    NO Preasignación: sólo se reserva espacio de swap al expulsar.
       (¿Semejanza con estado ―suspendido‖?)




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Sistemas Operativos
                           5. Memoria virtual
           5.1. Introducción
           5.2. Paginación
           5.3. Segmentación
           5.4. Segmentación paginada
           5.5. Paginación por demanda
           5.6. Políticas de reemplazo
           5.7. Política de asignación de marcos de
                página
           5.8. Hiperpaginación
           5.9. Gestión del espacio de swap
           5.10. Operaciones sobre las regiones de un
                proceso
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Sistemas Operativos
   Memoria virtual

         5.1. Introducción
La técnica de la MV se usa prácticamente en todos los SSOO modernos.
   Esta técnica se basa en transferir información entre memoria
   principal y memoria secundaria (por lo que involucra varios niveles
   de la jerarquía de memoria)

Suele implementarse en un esquema de paginación (es decir, la unidad
  de información intercambiada entre los diferentes niveles de la jerarquía
  de memoria es la página)

Elemento Clave: Proximidad referencial habitual de los procesos. Esta
   propiedad permite que un proceso puede funcionar disponiendo en
   memoria de una parte de su imagen de memoria (conjunto residente).

Objetivo final: conseguir que la información necesaria para un proceso
   (conjunto de trabajo) vaya ocupando la memoria principal según se va
   necesitando (es decir, conjunto de trabajo === conjunto
   residente)

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Sistemas Operativos
   Memoria virtual

Ventajas:

      a) Aumento del grado de multiprogramación. Por tanto, aumento
         en el rendimiento del sistema
      b) Posibilidad de ejecutar programas más grandes que la MV
         disponible

El uso de la MV no implica que se acelere la ejecución del programa
   (más bien al contrario, debido a la sobrecarga asociada a los
   movimientos de información entre niveles de la jerarquía). Este
   mecanismo no es apropiado para sistemas de tiempo real.




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Sistemas Operativos
    Memoria virtual

         5.2. Paginación
•     Página: Zona contigua de memoria de determinado tamaño. (Por
      motivos de eficiencia se suele trabajar siempre con tamaños potencia
      de 2. Ej:4 KB.)
•     Organización:
      — El mapa de memoria del proceso se considera dividido en páginas.
      — La memoria principal se considera dividida en marcos de página
          (tamaño de marco = tamaño de página).
      — Los marcos contendrán páginas de los procesos en ejecución
      — La tabla de páginas (TP) relaciona cada página con el marco que
          la contiene. El hardware de traducción (MMU) usa la tabla de
          páginas para traducir direcciones lógicas a físicas
      — Típicamente la MMU usa dos tablas de páginas (TP):
          a) TP del usuario: Por ejemplo, direcciones lógicas que empiezan
               por 0
          b) TP del sistema: Por ejemplo, direcciones lógicas que empiezan
               por 1. Estas sólo se podrán usar en modo sistema

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    Memoria virtual

      – Cada entrada de la tabla de páginas contendrá, además del número
         de marco asociado con la página:
           a) Información de protección: tipo de acceso permitido RWX
           b) Bit de página válida/inválida: para indicar si dicha entrada
              contiene una traducción asociada, es decir, si se corresponde
              realmente con un marco
           c) Bit de página accedida (Ref): activado cuando se accede
           d) Bit de página modificada (Mod): activado cuando se escribe
           e) Bit de desactivación de caché: se usa cuando la entrada
              corresponde con direcciones de E/S
•    Tamaño de página: La elección de tamaño de página está
     condicionada por diversos factores, entre los que hay que conseguir
     equilibrio:
      – Potencia de 2 y múltiplo del tamaño del bloque de disco
      – mejor pequeño por:
           • Menor fragmentación
           • Se ajusta mejor al conjunto de trabajo
      – mejor grande por:
           • Tablas más pequeñas
           • Mejor rendimiento de dispositivos de E/S
      – Compromiso (entre 2K y 16K)

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    Memoria virtual


•    Dirección:Una dirección lógica se obtiene a partir de:
                   nº página + desplazamiento
•    Problema:
      – La paginación no ofrece una solución óptima. Lo ideal sería que
         cada palabra del mapa de memoria de un proceso pudiera ubicarse
         en cualquier dirección. Esta solución es inviable debido al coste de
         traducción
      – Al no ser así, con la paginación se asigna a cada proceso un
         número entero de marcos de página, aunque el espacio de su
         mapa de memoria no sea un múltiplo entero del tamaño de página.
         Por tanto, se irán generando huecos (memoria no aprovechada, en
         la última de las páginas que no se llena de forma completa). Este
         proceso se denomina fragmentación interna (implica que, en
         término medio, cada proceso desperdicia la mitad de una página)




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   Memoria virtual
                                    Dirección lógica
                                Página             Byte



                                                            Marcos de página
                                   0
                                   1
                                   2
                                   3


Registro base de la TP
        (RIED)




                                   n




                                                          MP: direcciones físicas
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    Memoria virtual


                            T. Páginas Proceso 1
                     Página 0       Marco 2
                                                    Memoria
                     Página 1       Marco N
                                                    Pág. 1 Pr. 2    Marco 0
                                   ..............
                                                    Pág. P Pr. 2    Marco 1
                     Página M       Marco 3
                                                    Pág. 0 Pr. 1    Marco 2
                                                    Pág. M Pr. 1    Marco 3
                            T. Páginas Proceso 2
                                                    Pág. 0 Pr. 2    Marco 4
                     Página 0       Marco 4
                                                     ............
                     Página 1       Marco 0
                                   ..............   Pág. 1 Pr. 1    Marco N

                     Página P       Marco 1




•    Problema: Fragmentación, la memoria asignada es mayor que la
     memoria requerida y por lo tanto, se desperdicia cierta cantidad de
     espacio


Recinto Universitario Augusto C. Sandino                                      50
Sistemas Operativos
    Memoria virtual

•    Otras cuestiones:
      – En este esquema, el S.O. mantiene una tabla de páginas por cada
        proceso. Cuando se produce un cambio de contexto se indica a la
        MMU qué tabla de páginas usar
      – El S.O. mantiene una única tabla de páginas para sí mismo. Así,
        todos los procesos comparten el SO. Cuando un proceso se ejecuta
        en modo sistema accede directamente a su mapa y al del SO
      – S.O. mantiene tabla de marcos, como forma de mantener
        información de estado de la memoria principal. De cada marco se
        conoce su estado (libre, ocupado, etc)
      – S.O. mantiene tabla de regiones por cada proceso, indicando las
        características de cada región y qué rango de páginas pertenecen a
        cada región
•    Desperdicio de espacio: Mucho mayor gasto en tablas que con
     asignación contigua: es el precio de mucha mayor funcionalidad




Recinto Universitario Augusto C. Sandino                        51
Sistemas Operativos
    Memoria virtual

•    Implementación de la tabla de páginas:
      – Las tablas de páginas se mantiene normalmente en memoria
        principal. Problemas: eficiencia y gasto de almacenamiento
          a) Eficiencia: cada acceso lógico requiere dos accesos a memoria
             principal, a la tabla de páginas + al propio dato o instrucción.
             Solución: caché de traducciones –› TLB
          b)Gasto de almacenamiento: tablas muy grandes. Ejemplo:
             páginas 4K, dir. lógica 32 bits y 4 bytes por entrada, la tabla de
             páginas de cada proceso tendrá 4MB. Solución: tablas
             multinivel y tablas invertidas
•    Valoración :
      – Espacios independientes para procesos: mediante tablas de páginas
      – Protección: mediante tablas de páginas
      – Compartir memoria: entradas corresponden con mismo marco (bajo
        supervisión del SO dos procesos pueden compartir una página
        asociada al mismo marco)
      – Soporte de regiones: bits de protección, bit de validez: no se
        reserva espacio para huecos
      – Maximizar rendimiento: Si, al permitir esquemas de memoria más
        flexibles
      – Mapas de tamaño adecuado: sí, al permitir esquemas de memoria
        virtual
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Sistemas Operativos
   Memoria virtual
TLB (Translation Look-aside Buffer): Consta de una memoria asociativa con
   información sobre últimas páginas accedidas.
• Para el multiproceso, existen varias posibilidades:
    – La TLB no incluye información del proceso. En este caso, habrá que
       invalidar la TLB en los cambios de contexto
    – Entradas en TLB incluyen información sobre proceso: en este caso,
       debe existir un registro de UCP para mantener la identificación del
       proceso actual
• Implementación
    – HW: La MMU consulta la TLB y si falla, se usa la TP en memoria.
         • Ventajas: Es un proceso muy rápido
         • Inconvenientes: Actualizar la TP en cambios de contexto y hay que
           invalidar la TLB cuando se produce un cambio de contexto (si no tiene
           información del PID)
    – SW: La MMU no usa la TP, sino que sólo consulta TLB. En caso de fallo,
       se activa el SO, que ha de buscar la entrada en la tabla de páginas
       (mediante programa), e insertar en la TLB la traducción hecha, de forma
       que se pueda reutilizar.
         • Ventajas: flexibilidad, ya que la tabla de páginas puede ser definida a
           conveniencia, sin restricciones impuestas por el hardware
         • Inconvenientes: Es menos eficiente, ya que parte del proceso de
           traducción se realiza mediante programa.

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Sistemas Operativos
    Memoria virtual

Una de las opciones disponibles para disminuir el tamaño requerido por las
  tablas de páginas es la tabla de páginas multinivel

•    Organización:Se trata de una tabla de páginas organizadas en M
     niveles:
      – Entrada de TP de nivel K apunta a TP de nivel K+1
      – Entrada de último nivel apunta a marco de página

•    Dirección: La dirección lógica especifica la entrada a usar en cada nivel
                    • 1 campo por nivel + desplazamiento

•    Accesos:Un acceso lógico supone M + 1 accesos a memoria. Solución:
     uso de TLB

•    Invaliadación:Si todas las entradas de una TP son inválidas, no se
     almacena esa TP y se pone inválida la entrada correspondiente de la TP
     superior

•    Ahorro de espacio:Si el proceso usa una parte pequeña de su espacio
     lógico, se consigue ahorro en espacio para almacenar TPs
Recinto Universitario Augusto C. Sandino                             54
Sistemas Operativos
     Memoria virtual
                  Página                     Dirección lógica

    1er nivel         2º nivel               Byte
                                                      0
                                                      1
                                                      2
                                                      3           Marcos de página
                          0
                          1
                          2
                          3



                                                      n

Registro base de la TP
        (RIED)            n
                                                      0
                                                      1
                                                      2
                                                      3




                                                      n         MP: direcciones físicas

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    Memoria virtual

•    Ejemplo: Proceso que usa 12MB superiores y 4MB inferiores

      – 2 niveles, páginas de 4K, dir. lógica 32 bits (10 bits por nivel) y 4
        bytes por entrada
      – Tamaño: 1 TP N1 + 4 TP N2= 5 * 4KB = 20KB (frente a 4MB)

•    Ventajas adicionales: permite compartir TPs intermedias y sólo se
     requiere que esté en memoria la TP de nivel superior. Las restantes
     pueden estar en disco y traerse por demanda




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   Memoria virtual
                                                                 memoria
                                       tablas de páginas
                                         segundo nivel          Página 2048



                                              .
                                              .
                                              .
                                                                 Página 1023




               Tabla de páginas
                 primer nivel
                                                                  Página 0
                                              .
                                              .
                V                             .
                V
                                                                 Página 1024
                V

                 I
                                                                 Página 2047


                 I                            .
                                              .
                V                             .


                                                                 Página 3071


                                              .
                                              .            Página 1048575 (2^20-1)
                                              .


                                                           Pág. 1047552 (2^20-1024)


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   Memoria virtual

Otra alternativa para disminuir el espacio necesario por la tabla de páginas
   es la tabla de páginas invertida
• Organización:
    – La tabla contendrá tantas entradas como marcos de página haya.
    – Cada entrada almacena la página cargada en dicho marco junto con
       sus características:
         • Número de página,
         • Proceso dueño de la página
    – El tamaño de la tabla de páginas es proporcional a la memoria
       disponible.
• Accesos:La MMU usa una TLB convencional, pero si falla la traducción se
   accede a la tabla de páginas invertida. Al estar la tabla organizada por
   marcos no se puede hacer una búsqueda directa. Debería accederse a
   todas las entradas en busca de la página correspondiente. Por esta
   razón se suele organizar como una tabla hash
• Ahorro de espacio: Se reduce el espacio de almacenamiento necesario,
   ya que sólo se guarda información sobre las páginas válidas



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   Memoria virtual

                        Dirección lógica

 pid           Página                Byte




                                              i

                              pid    página       i              Byte


                                                      Dirección física




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   Memoria virtual

         5.3. Segmentación
 Con la paginación la MMU no dispone de información sobre las regiones
   de los procesos y sólo entiende de páginas. Por esta razón, el SO debe
   mantener una lista de las páginas que componen cada región, lo
   que supone varias desventajas:
    • Al crear una región hay que cuidar que todas las páginas
       asociadas tengan la misma información de control
    • Para poder compartir una región es preciso que las entradas de
       varios procesos apunten a los mismos marcos
 Segmentación: es un esquema HW que intenta dar soporte directo a las
   regiones. En él se considera el mapa de memoria como compuesto por
   varios segmentos.
    Se puede considerar que consisten en una generalización de los
       registros valla base y límite, pero usando un par de registros por
       cada segmento

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Sistemas Operativos
    Memoria virtual

•    Dirección:Una dirección lógica estará compuesta por un número de
     segmento y un desplazamiento en el mismo.
•    Traducción: La forma de realizar la traducción puede apreciarse en la
     imagen siguiente:

                   dirección lógica
                      s    d
                                       tabla de segmentos


                                       límite         base




                                                 NO              memoria
                                             >               +
                                        SI

                                      Excepción




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    Memoria virtual

•    Tabla de segmentos:En este caso, la MMU usa una tabla de segmentos
     (TS).
•    Organización:
      – El SO mantiene una TS por proceso, de forma que en cada cambio
        de contexto se notifica a MMU cuál debe usar
      – Cada entrada de TS contiene (entre otros):
           • Registro base y límite del segmento
           • protección: RWX

•    Problema: Fragmentación Externa
      – En este esquema se produce fragmentación externa, ya que el
        almacenamiento de los segmentos se realiza de forma contigua.
      – El SO debe mantener una lista que le permita conocer qué zonas de
        memoria están libres y cuáles ocupadas: es decir, estructuras de
        datos que identifiquen huecos y zonas asignadas




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    Memoria virtual

•    Valoración:

      – Espacios independientes para procesos: mediante su propia TS, que
        crea un espacio lógico independiente
      – Protección: mediante TS, ofreciendo espacios disjuntos de memoria
      – Compartir memoria: bajo control del SO es posible que dos o más
        procesos tengan un segmento asociado a la misma zona de memoria
      – Soporte de regiones: bits de protección
      – Maximizar rendimiento : No lo maximiza, por la fragmentación
        externa
      – Mapas de tamaño adecuado: No cumple este objetivo porque no
        permite implementar eficientemente un sistema de memoria virtual

Por tanto, tal y como se ha presentado se usa en muy pocos
  SO reales




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Sistemas Operativos
    Memoria virtual

         5.4. Segmentación paginada
Se intenta aunar las ventajas de ambos esquemas: segmentación y
   paginación:
    – Segmentación: soporte para regiones.
    – Paginación: mejor uso del espacio de memoria.

•    Organización:
      – Entrada en TS apunta a una TP para el segmento.
      – El espacio del segmento está compuesto de varias páginas, de
        forma que su espacio no tiene que ser contiguo.




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   Memoria virtual

    •Traducción:La traducción se lleva a cabo según se indica.


                  dirección lógica
                  s      p    d                                     tabla de páginas
                                      tabla de segmentos            para segmento s



                                      límite         dir. T. Pág.    p       m




                                                NO                                     memoria
                                            >                            m   d
                                       SI
                                                                      dirección
                                     Excepción                          física




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    Memoria virtual

•    Valoración:

      – Espacios independientes para procesos: mediante TS
      – Protección: mediante TS
      – Compartir memoria: bajo control del SO, podemos hacer que una
        misma entrada aparezca en diferentes TS (es decir, pueda ser usado
        por varios procesos)
      – Soporte de regiones: bits de protección
      – Maximizar rendimiento: la paginación aprovecha eficientemente el
        espacio de memoria.
      – Mapas de tamaño adecuado: permite esquemas de memoria virtual

•    Ventajas: Frente a paginación sin segmentos facilita al SO la gestión de
     las regiones, pero requiere HW más complejo




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    Memoria virtual

         5.5. Paginación por demanda
Una vez analizados los diferentes esquemas hardware vamos a ver cómo
  se articulan para construir un esquema de memoria virtual (estos
  esquemas también pueden usarse sin memoria virtual, pero en la
  actualidad su uso está siempre vinculado a la memoria virtual)

•   Normalmente la memoria virtual se construye sobre esquemas de
    paginación pura o segmentada. De esta forma, la unidad de información
    intercambiada entre memoria principal y secundaria es la página.

•   Normalmente la transferencia de información se lleva a cabo bajo
    demanda (paginación por demanda). De esta forma, cuando un
    proceso necesita acceder a una página que no está en memoria
    principal, se genera un fallo de página y el SO se encarga de transferirla
    desde la memoria secundaria. Si al traerla no hay espacio suficiente en
    MP, será necesario desalojar alguna de las páginas actuales (ello se
    hace mediante un algoritmo de reemplazo)

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    Memoria virtual

•    La construcción de un sistema de memoria virtual sobre un procesador
     con paginación implica usar un bit de validez en las entradas de la
     tabla de páginas, que indica si la página es válida. Estarán marcadas
     como inválidas todas las páginas que no residen en MP, así como las
     que constituyen huecos en el mapa de memoria.

•    Para las entradas correspondientes a páginas no residentes en MP, la
     entrada principal, en lugar de almacenar el marco donde reside
     contendrá la dirección del dispositivo de memoria en que se
     encuentra almacenada. De forma que cuando se produce un acceso a
     una de estas páginas, se produce una excepción y se activa el SO,
     responsable de hacer la transferencia desde memoria secundaria.

•    Algunos sistemas también usan la técnica de prepaginación. Al ocurrir
     un fallo de página no sólo traen la página en cuestión, sino también las
     cercanas, al suponerse que se usarán en un corto plazo de tiempo. La
     efectividad de esta técnica dependerá del acierto de la predicción.



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   Memoria virtual

Veamos cómo se gestiona la ocurrencia de un fallo de página:
• La MMU genera una excepción. Normalmente deja en un registro
   especial la dirección que causó el fallo
• Se activa el SO, que comprueba:
    – Si la página es inválida, se aborta el proceso (solución normal,
      aunque también podría bastar con el envío de una señal).
    – Si la página es ausente se siguen los pasos siguientes:
        a) Se consulta la tabla de marcos para ver si hay algún hueco
           libre:
             i. Si no hay ningún marco libre se aplica el algoritmo de
                 reemplazo, que decidirá el marco a desalojar. La página
                 almacenada hasta entonces se marca como inválida. Si ha
                 sido modificada, antes hay que salvar su contenido en
                 memoria secundaria
             ii. Si hay marco libre: se inicia la lectura desde memoria
                 secundaria y se vuelca al marco, marcándose como válida
                 dicha entrada en la TP y apuntando el marco en que está
                 almacenada


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    Memoria virtual

•    En el peor de los casos un fallo de página puede suponer dos
     operaciones de E/S:

            a) Salvaguarda de la página expulsada
            b) Lectura de la página nueva

Dos políticas definen el funcionamiento del sistema de memoria

•    Política de reemplazos:
      – Reemplazo local: Sólo puede usarse para reemplazo un marco
         asignado al proceso que causa fallo
      – Reemplazo global: Puede usarse para reemplazo cualquier marco

•    Política de asignación de espacio a los procesos:
      – Asignación fija: El número de marcos de página para cada proceso
         es fijo.
      – Asignación dinámica: El número de marcos de página para cada
         proceso es dinámico

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    Memoria virtual

         5.6. Políticas de reemplazo

•    Objetivo: Minimizar la tasa de fallos de página.

•    Cada algoritmo descrito tiene versión local y global:
      – Local: criterio se aplica a las páginas residentes del proceso
      – Global: criterio se aplica a todas las páginas residentes

•    Algoritmos a estudiar
      A. Óptimo
      B. FIFO
      C. Reloj (o segunda oportunidad)
      D. LRU
      E. Buffering de páginas
      F. Retención de páginas en memoria




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    Memoria virtual

 A) Algoritmo óptimo

•    Criterio: Página residente que tardará más en accederse
•    Implementación: Irrealizable, ya que supone disponer de una predicción
     fiable del uso de las páginas en un futuro a medio plazo
•    Versión local y global
•    Interés para estudios analíticos comparativos




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 B) Algoritmo FIFO

•    Criterio: se elimina la página que lleva más tiempo residente

•    Implementación: Fácil
      – Páginas residentes en orden FIFO –› se expulsa la primera
      – No requiere hardware especial
      – En el caso de estrategia local se mantiene una lista de páginas por
        cada proceso. En el caso global, basta con una única lista

•    Problema:
      – Una página que lleva mucho tiempo residente puede seguir
        accediéndose frecuentemente.
      – Su criterio no se basa en el uso de la página.
      – Anomalía de Belady: Se pueden encontrar ejemplos en que al
        aumentar el número de marcos aumenta el número de fallos de
        página


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    Memoria virtual

 C) Algoritmo de segunda oportunidad o del reloj

Se trata de una modificación del algoritmo FIFO, para evitar que una
  página residente desde hace tiempo sea desalojada pese a estar siendo
  usada. Para ello se usa el bit de referencia Ref de las páginas, con lo
  que se detecta su uso

•    Criterio:
      – Si la página elegida por FIFO no tiene activo el bit Ref, es la página
         expulsada
      – Si lo tiene activo se da 2ª oportunidad antes de expulsar: se
         desactiva el bit Ref, se pone página al final de FIFO, se aplica
         criterio a la siguiente página

•    Implementación: Se puede implementar el orden FIFO mediante una
     lista circular con una referencia a la primera página de la lista: se
     visualiza como un reloj donde la referencia a la primera página es la
     aguja del reloj

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    Memoria virtual

 D) Algoritmo LRU (last recently used)

•    Criterio: Basado en proximidad temporal de referencias: página
     residente menos recientemente usada como página a eliminar
•    Implementación:Posible implementación con HW específico y un
     contador de accesos a memoria:
      – Cada entrada de la TP posee un contador
      – Cada acceso a memoria la MMU copia el contador del sistema a
         entrada referenciada
      – Reemplazo: página con contador más bajo
      – Difícil implementación estricta (hay aproximaciones): precisaría una
         MMU específica, ya que habría que controlar los accesos realizados a
         cada marco para actualizar los contadores de los accesos en la TP
•    Nota: en su versión global, hay que considerar los contadores de las
     páginas menos recientemente usadas teniendo en cuenta el tiempo
     lógico de cada proceso



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Sistemas Operativos
    Memoria virtual
 E) Buffering de páginas

•    Criterio:Esta técnica intenta evitar el problema con las páginas
     modificadas que han de ser desalojadas. En este caso, el tratamiento
     del fallo de página implica realizar dos accesos a disco, uno para
     almacenar la página modificada y para traer la nueva

•    Implementación:
      – Mantiene una reserva de marcos libres. Cuando se produce un
        fallo de página, siempre se usa un marco libre (es decir, en verdad
        no hay reemplazo)
      – Cuando el número de marcos libres queda por debajo de cierto
        umbral se activa un ―demonio de paginación‖, que aplica
        repetidamente el algoritmo de reemplazo:
          • Páginas no modificadas pasan a lista de marcos libres
          • Páginas modificadas pasan a lista de marcos modificados:
             cuando se escriban a disco pasan a lista de libres; suelen
             escribirse en tandas (lo que mejora el rendimiento)
      – Si se referencia una página mientras está en estas listas: se
        recupera directamente de la lista (no hay E/S), lo que puede
        mejorar el comportamiento de algoritmos poco eficientes
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    Memoria virtual
 F) Retención de páginas en memoria


•    Criterio:No todas las páginas son reemplazables

•    Aplicación:
      – Se aplica a páginas del propio S.O: si sus páginas están fijas en
         memoria, su gestión es más sencilla
      – También se aplica mientras se hace DMA sobre una página. La
         página no será reemplazable hasta que finalice la operación sobre
         ella

•    Implementación: Algunos S.O. ofrecen a las aplicaciones un servicio
     para fijar en memoria una o más páginas de su mapa: adecuado para
     procesos de tiempo real, aunque puede afectar al rendimiento del
     sistema. En POSIX se trata del servicio mlock




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    Memoria virtual

    5.7. Política de asignación de marcos de página
El SO deberá decidir cuántos marcos de página asigna a cada proceso:
        a) Asignación Fija
        b) Asignación Dinámica

A) Asignación fija

•    Número constante de marcos asignados al proceso. Puede depender
     de las características del proceso: tamaño, prioridad,...
•    No se adapta a las distintas fases de ejecución. Como positivo, el
     comportamiento del proceso es relativamente predecible
•    Sólo tiene sentido usar estrategia de reemplazo local
•    La arquitectura impone el Nº mínimo de marcos de página: mínimo
     número de marcos a asignar igual al número de referencias que
     aparezca en la instrucción que más fallos de página pueda generar


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    Memoria virtual

B) Asignación dinámica

•    El número de marcos asignados a un proceso es variable
     dependiendo del comportamiento del proceso (y posiblemente de los
     demás procesos).
•    Se adapta a las diferentes fases por las que puede pasar un proceso
•    Se pueden usar tanto estrategias de reemplazo global como local.

      – Asignación dinámica + reemplazo local: el proceso va aumentando o
        disminuyendo su conjunto residente dependiendo de su
        comportamiento (comportamiento relativamente predecible)

      – Asignación dinámica + reemplazo global: los procesos compiten por
        el uso de las páginas entre ellos (comportamiento difícilmente
        predecible)




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    Memoria virtual

    5.8. Hiperpaginación (thrashing)
•    Definición:Tasa excesiva de fallos de página de un proceso o en el
     sistema, debido a que el número de marcos de página asignados es
     insuficiente para albergar el conjunto residente

      – Con asignación fija. Hiperpaginación en el proceso Pi si
             conjunto residente de Pi < conjunto de trabajo Pi

      – Con asignación variable. Hiperpaginación en el sistema si
         nº marcos disponibles <  conjuntos de trabajo de los procesos

•    Problema: decae el grado de uso de la CPU. Los procesos están casi
     siempre en colas de dispositivo de paginación.
•    Solución: controlar la carga:
      – Disminuir el grado de multiprogramación,
      – Suspender uno o más procesos liberando sus páginas residentes

•    ¿Cómo detectar esta situación?


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   Memoria virtual



                   Utilización de la UCP




                                           grado de multiprogramación
Se verán a continuación algunas estrategias de control de la carga de
   trabajo:
      A. Estrategia del conjunto de Trabajo
      B. Estrategia de administración basada en la frecuencia de fallos
         de página
      C. Estrategia de control de carga para algoritmos de reemplazo
         globales

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    Memoria virtual

    A) Estrategia del conjunto de trabajo
•    Objetivo: Determinar el conjunto de trabajo de cada proceso, es decir,
     las páginas usadas por el proceso en las últimas N referencias

•    Proceso:
      – Si el conjunto de trabajo decrece se liberan marcos.
      – Si el conjunto de trabajo crece se asignan nuevos marcos.
      – Si no hay marcos disponibles se suspenderá algún(os) proceso(s),
        que se reactivan cuando haya marcos suficientes

•    Condición: Si el SO es capaz de detectar el conjunto de trabajo de cada
     proceso, puede especificarse una estrategia de asignación dinámica
     con reemplazo local

•    Implementación: Difícil, ya que precisaría una MMU específica que
     controlara las páginas accedidas por cada proceso.

•    Aproximación: Estrategia basada en frecuencia de fallos de página
     (PFF), controlando la tasa de fallos de página de cada proceso
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    Memoria virtual

    B) Estrategia basada en frecuencia de fallos de página
•    Objetivo: Controlar la tasa de fallos de página por proceso
•    Proceso:
      – Si tasa < límite inferior, se liberan marcos aplicando un algoritmo de
        reemplazo
      – Si tasa > límite superior, se asignan nuevos marcos. Si no hay
        marcos libres se suspende algún proceso
                         tasa de fallos de página




                                                                       límite superior



                                                                       límite inferior



                                                    número de marcos
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    Memoria virtual

    C) Estrategia de control de carga para algoritmos de
    reemplazo globales

•    Objetivo: Controlar la hiperpaginación utilizando un algoritmo de control
     de carga. Se da en algoritmos de reemplazo global.

•    Proceso: Ejemplo: UNIX 4.3 BSD
      – Reemplazo global con algoritmo del reloj. Variante con dos
        ―manecillas‖: hay dos punteros en vez de uno
      – Uso de buffering de páginas. Un demonio de paginación controla el
        número de marcos libres
      – Si el número de marcos libres < umbral, el demonio de paginación
        aplica reemplazo
      – Si se repite con frecuencia la falta de marcos libres: un proceso
        ―swapper‖ suspende procesos




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   Memoria virtual

    5.9. Gestión del espacio de swap
La asignación del espacio de swaping puede seguir dos técnicas:
    a) Preasignación de swap:
        Al crear la nueva región se reserva espacio de swap para ella. Al
           expulsar una página, con esta estrategia, ya habrá espacio de
           swap para almacenar su contenido
    b) Sin preasignación de swap:
        Al crear una región no se hace reserva de swap. Las páginas de la
           región se irán trayendo a MP por demanda desde el soporte de
           la región. Sólo se reserva espacio de swap para una página
           cuando es expulsada por primera vez

Tendencia actual: Se suele utilizar más la estrategia sin preasignación,
   puesto que la preasignación de swap conlleva un peor aprovechamiento
   de memoria secundaria (toda página debe tener reservado espacio de
   swap).



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   Memoria virtual

    5.10. Operaciones sobre regiones de un proceso
Se considerarán a continuación las siguientes operaciones sobre las
   regiones de un proceso en un sistema con memoria virtual:
    a) Creación de región:
        Al crear el mapa inicial o por solicitud posterior
    b) Liberación de región:
        Al terminar el proceso o por solicitud posterior
    c) Cambio de tamaño de región:
        Aumento de tamaño: hay que comprobar que no se solape con
            otra región y equiparar las nuevas páginas a las ya existentes
            en la región.
        El caso de expansión de la pila es algo más complejo.
        Disminución de tamaño
    d) Duplicado de región:
        Operación requerida por el servicio fork de POSIX
        Se duplica todo y se trata de una operación costosa



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a) Creación de nueva región
Acciones:
• Al crear una región no se asigna MP ( se hará por demanda).
• Se marcarán las páginas como no residentes y válidas (fallo de
   página cuando se intenten acceder)
• El S.O. actualiza la tabla de regiones y guarda la información
   correspondiente a las páginas de la región, rellenando las entradas de la
   TP. Debe buscar un hueco en el mapa de memoria para asignar a nueva
   región.
• Según el soporte:
    – Soporte en archivo: Páginas marcadas como Cargar de archivo
       (CA) y se almacena dirección del bloque del archivo correspondiente
    – Sin soporte: Páginas marcadas como Rellenar con ceros (RC) y se
       inicializa cuando hay un fallo de página.
• Si la región es privada con preasignación de swap, se reserva espacio
   de swap
• Si la región es la pila:
    – Se copian los argumentos iniciales del proceso en bloque(s) de swap



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    Memoria virtual

•    Algoritmo de expulsión:
      – Si la región es privada se escribe página en swap. Si no hay
        preasignación de espacio swap, en la primera expulsión se reserva
        espacio. Posteriores fallos se sirven de ese bloque de swap
      – Si la región es compartida se escribe página en soporte, para que
        todos los procesos puedan ver las modificaciones. Todos los fallos se
        sirven del soporte

•    En la creación del mapa inicial (servicio exec en POSIX), se crean las
     regiones según sus características
          • Código: CA, Compartida, RX
          • Datos v. inicial: CA, Privada, RW
          • Datos sin v. inicial: RC, Privada, RW
          • Pila inicial: contenido inicial en swap

      Los huecos se marcan como páginas inválidas, tanto para el HW como
        para el S.O.


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   Memoria virtual



                                                         Swap
                Tabla de páginas                                        Archivo Ejecutable
  1ªpág.                                                                          Cabecera
  Código     RX A Bloque T (arch.)                               Bloque T
               ...........................                                         Código
  1ªpág.
  Dat.v.i. RW A Bloque U (arch.)
                                                                 Bloque U
                                                                            Datos con valor inicial
                ...........................
  1ªpág.                                                                     ................
 Dat.no.v.i.
             RW A Rellenar con 0
                ...........................
  1ªpág.                                      Bloque S
   Pila
            RW A Bloque S (swap)                          Pila




       Estado inicial de ejecución en un sistema sin preasignación de swap

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   Memoria virtual


b) Liberación de región
• Acciones:
    – Actualizar tabla de regiones para eliminar región
    – Marcar como inválidas páginas asociadas
    – Si la región es privada, se libera el espacio de swap asociado
• Cuando:
    – Solicitud explícita (p.ej. desproyección de región).
    – Finalización del proceso (exit en POSIX).
    – El servicio exec de POSIX libera el mapa actual del proceso antes de
       construir un nuevo mapa vinculado al ejecutable a ―usar‖




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   Memoria virtual

c) Cambio de tamaño
• Acciones:
    – Si disminuye:
       • Se ajusta la tabla de regiones.
       • Se marcan páginas como inválidas.
       • Se libera espacio de swap
    – Si aumenta:
       • Se comprueba que no haya solapamiento.
       • Se fijan nuevas páginas como no residentes y con las mismas
          características que otras páginas de la región.
       • Si hay preasignación se reserva espacio en swap para las nuevas
          páginas.
• Casos especiales:
    – Expansión del heap: Solicitada por programa mediante servicios
      del S.O. Se marcan las páginas correspondientes como RC,
      privadas, RW

      – Expansión de pila no proviene de una solicitud del proceso, sino de
        la propia evolución de la pila. Por esta razón esta operación es
        automática

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    Memoria virtual

d) Duplicado de una región
• Acciones:
    – Se duplican las regiones privadas del padre y se comparten las no
      privadas

•    La copia de una región de un proceso en el mapa de memoria de otro
     proceso es una operación costosa, ya que también se debe copiar el
     contenido.

•    Problema: La ejecución de fork sería muy ineficiente.
•    Solución: copy-on-write (COW). Se comparte una página mientras no se
     modifique. Si un proceso la modifica, se crea una copia para él. Esta
     operación se denomina duplicado por demanda




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Sistemas Operativos
    Memoria virtual

•    Implementación de COW
      – Se comparten las páginas de regiones duplicadas
      – Se marcan de sólo lectura y con bit de COW.
      – Al realizar la primera escritura se produce un fallo de proteccción y
        se genera una copia privada para el proceso que escribe.
      – Lo normal es que haya varios procesos con misma región duplicada,
        por lo que existe un contador de uso por página.
      – Cada vez que se crea copia privada se decrementa contador, ya que
        hay un proceso menos trabajando sobre la copia compartida.
      – Si llega a 1, se desactiva el bit COW, al no haber duplicados

•    FORK con COW. Se comparten todas las regiones. Las regiones privadas
     se marcan como COW en padre e hijo, el resultado de la optimización es
     que en vez de duplicar todo el espacio de memoria sólo se duplica la TP.




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Sistemas Operativos
               5. Archivos proyectados en
                        memoria




Recinto Universitario Augusto C. Sandino   94
Sistemas Operativos
    Archivos proyectados en memoria

•    ¿En qué consiste?
      – Recordemos que en un sistema con MV se hacen corresponder las
        entradas de la TP con bloques de un archivo ejecutable.
      – La técnica de la proyección permite usar esta misma idea, pero con
        cualquier archivo.
      – El S.O. permite que un programa solicite la correspondencia de una
        zona de su mapa de memoria con los bloques de un archivo
        cualquiera (ya sea completo o en parte).
      – En la solicitud el programa indicará el tipo de acceso que desea para
        las páginas asociadas al archivo.
•    Servicio:
      – La generalización de la técnica de memoria virtual permite ofrecer a
        los usuarios una forma alternativa de acceder a los archivos.




Recinto Universitario Augusto C. Sandino                           95
Sistemas Operativos
   Archivos proyectados en memoria

 • Proceso: Se rellenan las entradas de la TP correspondientes con :
     —Página no residente,
     —CA (cargar de archivo),
     —Privada/compartida y
     —Protección (indicada en la llamada).       Mapa de memoria

 De esta forma,                                                                  Código
 cuando el
 programa accede                  Tabla de páginas                       Datos con valor inicial
 a una posición                    ...........................                                          Archivo
 de memoria           1ªpág.
                                                                         Datos sin valor inicial
 asociada al         Archivo RW A Bloque 0 (arch.)
                                   ...........................
                                                                                                        Bloque 0

 archivo proyectado,Última pág. RW A Bloque N (arch.)            10240
                                                                                                         Bloque 1
                      Archivo
 está accediendo                   ...........................                                          Bloque 2
 realmente                                                               Archivo Proyectado

 al archivo                                                                                              .............


                                                                                                        Bloque N
                                                                                  Pila


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Sistemas Operativos
    Archivos proyectados en memoria

•    Ventajas: Se trata por tanto de una forma alternativa de acceso a
     archivos, frente a las llamadas read/write. De esta forma se producen:
      – Menos llamadas al sistema lo que se traduce en una notable
        mejora de los tiempos de acceso.
      – Se evitan copias intermedias de la información ya que el S.O.
        transfiere directamente la información entre la región de memoria y
        el archivo.
      – Se facilita la programación, ya que una vez proyectado se accede
        al archivo como si fuera una estructura de datos en memoria

•    Ejemplo: Típicamente las bibliotecas dinámicas se cargan usando este
     tipo de proyección: la zona de código se proyecta como compartida y la
     zona de datos con valor inicial se proyecta como privada




Recinto Universitario Augusto C. Sandino                         97
Sistemas Operativos
                 6. Servicios de gestión de
                          memoria




Recinto Universitario Augusto C. Sandino      98
Sistemas Operativos
   Servicios de gestión de memoria

El gestor de memoria realiza funciones internas. Por eso, ofrece pocos
   servicios directos para las aplicaciones. Básicamente están relacionados
   con la proyección de archivos:

      – POSIX
         • Proyectar un archivo: mmap
         • Desproyectar un archivo: munmap

      – Win32
         • Proyectar un archivo: 2 pasos:
             – Crear proyección: CreateFileMapping
             – Realizar proyección: MapViewOfFile
         • Desproyectar un archivo: UnmapViewOfFile




Recinto Universitario Augusto C. Sandino                         99
Sistemas Operativos
   Servicios de gestión de memoria

void *mmap(void *direc, size_t lon, int prot, int indic, int desc, off_t desp);

Establece la proyección entre el espacio de direcciones de un proceso y un
   archivo.

      – Devuelve la dirección de memoria donde se ha proyectado el archivo
      – direc: dirección donde proyectar. Generalmente se utiliza NULL,
        con lo que el S.O. elige la dirección por su cuenta
      – lon: especifica el número de bytes a proyectar
      – prot: el tipo de acceso, lectura (PROT_READ), escritura
        (PROT_WRITE) o ejecución (PROT_EXEC), o cualquier combinación
        de ellas
      – indic: propiedades sobre la región, compartida (MAP_SHARED, un
        proceso hijo compartirá la región con el padre), privada
        (MAP_PRIVATE, el hijo obtiene copia propia de la región), fija
        (MAP_FIXED, el archivo ha de proyectarse en una direc´ción
        específica)
      – desc: representa el descriptor de archivo a proyectar.
      – Desp: desplazamiento dentro del archivo a partir del cual se realiza
        la proyección.

Recinto Universitario Augusto C. Sandino                             100
Sistemas Operativos
   Servicios de gestión de memoria

void munmap(void *direc, size_t lon);

Desproyecta parte del espacio de direcciones de un proceso desde la
  dirección direc hasta direc+lon.




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Sistemas Operativos

								
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