Gestione della memoria

1. Gestione della memoria • Per poter essere eseguiti, i programmi devono essere portati in memoria e posti all’interno di un processo. • Coda di Input – collezione di processi sul disco che sono in attesa di essere portati in memoria per essere eseguiti. • I programmi utente passano attraverso vari stati prima di essere eseguiti. L’associazione (binding) di istruzioni e dati a indirizzi di memoria può essere effettuata in qualunque fase del seguente percorso • Compilazione: Se la posizione in memoria è nota a priori, si può generare un codice assoluto; se la locazione di inizio cambia, è necessario ricompilare il codice. • Caricamento: Se la posizione in memoria non è nota a priori, è necessario generare codice rilocabile. • Esecuzione: Se il processo può essere spostato durante la sua esecuzione da un segmento di memoria in un altro, il binding viene rimandato fino al momento dell’esecuzione. E’ necessario un opportuno supporto hardware per mappare gli indirizzi (ad esempio con i registri base e limite). Sistemi Operativi

2. Caricamento dinamico • I sottoprogrammi non vengono caricati fino a che non vengono chiamati. • Si ha un miglior impiego della memoria: sottoprogrammi non utilizzati non vengono mai caricati. • Utile quando si richiedono grandi quantità di codice per gestire situazioni che avvengono raramente. • Al Sistema Operativo non è richiesto alcun supporto speciale. Viene implementato attraverso un opportuno progetto dei programmi. Sistemi Operativi

3. Link dinamico delle librerie • Il linking viene rinviato fino al momento dell’esecuzione. • Piccole porzioni di codice (dette stub) vengono impiegate per localizzare la routine appropriata nella libreria residente in memoria. • Lo stub rimpiazza se stesso con l’indirizzo della routine ed esegue la routine. • Il Sistema Operativo deve verificare che la routine si trovi nello spazio degli indirizzi (in memoria) del processo. Sistemi Operativi

4. Overlay • Si mantengono in memoria solo quelle istruzioni e quei dati che vengono richiesti ad un dato istante. Quando sono necessarie altre istruzioni, queste vengono caricate nello spazio che era precedentemente occupato dalle istruzioni che non vengono più utilizzate. • E’ richiesto quando un processo è più grande della memoria allocatagli. • L’esecuzione è rallentata a causa dell’operazione di I/O necessaria per caricare l’overlay. • Viene implementato dall’utente, non viene richiesto alcun supporto speciale da parte del Sistema Operativo. Il progetto di programmi con strutture di overlay è complesso. Sistemi Operativi

5. Spazi di indirizzi logici e fisici • Il concetto di uno spazio degli indirizzi logico che viene limitato ad uno spazio degli indirizzi fisico è centrale per una corretta gestione della memoria. • Indirizzo logico – viene generato dalla CPU; viene anche indicato come indirizzo virtuale. • Indirizzo fisico – indirizzo visto dall’unità di memoria. • Gli indirizzi logico e fisico sono gli stessi negli schemi di associazione degli indirizzi compile-time e load-time; gli indirizzi logico (virtuale) e fisico sono diversi nello schema di associazione execution-time. • La MMU (Memory Management Unit) è un dispositivo hardware che trasforma l’indirizzo virtuale nell’indirizzo fisico. Nello schema di MMU il valore nel registro di rilocazione viene sommato a qualunque indirizzo generato da un processo utente nel momento in cui viene inviato alla memoria. • Il programma utente ha a che fare con indirizzi logici, non “vede” mai gli indirizzi fisici reali. Sistemi Operativi

6. Swapping • Un processo può venir temporaneamente riversato (swapped) dalla memoria centrale alla backing store da cui, in seguito, viene portato nuovamente in memoria per proseguire l’esecuzione. • Backing store – E’ un disco veloce, sufficientemente capiente da accogliere copie di tutte le immagini di memoria per tutti gli utenti. Può essere una partizione dedicata del disco (pochi movimenti della testina). • Roll out, roll in – E’ una variante dello swapping impiegata per algoritmi di scheduling basati su priorità; un processo a priorità più bassa viene riversato sulla memoria di massa, in modo tale da permettere che un processo a maggior priorità sia caricato ed eseguito. • La maggior quantità di tempo è impiegata per il trasferimento; il tempo totale di trasferimento è direttamente proporzionale alla quantità di memoria riversata. • Se il binding viene effettuato al tempo dell’esecuzione, il processo può essere riversato in uno spazio di memoria diverso. • UNIX e Microsoft Windows supportano lo swapping. Sistemi Operativi

7. Swapping Sistemi Operativi

8. Allocazione contigua • La memoria principale viene generalmente suddivisa in due partizioni: • La parte residente del Sistema Operativo è generalmente memorizzata nella parte bassa della memoria, insieme al vettore degli interrupt. • I processi degli utenti sono quindi memorizzati nella memoria alta. • Allocazione con partizione singola • Si impiega uno schema di rilocazione basato su registri per proteggere i programmi e i dati del SO e per proteggere reciprocamente i programmi utente. • Il registro di rilocazione contiene il valore del più piccolo indirizzo fisico; il registro limite contiene l’intervallo degli indirizzi logici: ciascun indirizzo logico deve essere inferiore al valore del registro limite. Sistemi Operativi

9. Allocazione contigua • Allocazione con partizioni multiple • Inizialmente si avevano partizioni di dimensioni fisse. • Un buco (hole) è un blocco di memoria disponibile, buchi di varie dimensioni sono sparsi nella memoria. • Quando viene caricato un processo, gli viene allocata la memoria di un buco grande abbastanza da contenere il processo. • Il SO conserva informazioni su:a) Partizioni allocate b) Partizioni libere (buchi) OS OS OS OS process 5 process 5 process 5 process 5 process 9 process 9 process 8 process 10 process 2 process 2 process 2 process 2 Sistemi Operativi

10. Problemi dell’allocazione dinamica della memoria Come soddisfare una richiesta di dimensione n a partire da un insieme di buchi? In ogni momento è presente un insieme di buchi di diverse dimensioni sparsi per la memoria. • First–fit: Si alloca il primo buco grande abbastanza. • Best–fit: Si alloca il più piccolo buco che possa contenere il processo. E’ necessario scandire tutta la lista dei buchi. Si produce il più piccolo buco residuo. • Worst–fit: Si alloca il più grande buco. E’ ancora necessario ricercare su tutta la lista. Si produce il più grande buco residuo. First-fit e best-fit sono meglio di worst-fit in termini di velocità e impiego di memoria. Sistemi Operativi

11. Frammentazione • Frammentazione esterna – E’ disponibile lo spazio per soddisfare la richiesta, ma non è contiguo. • Frammentazione interna – la memoria allocata può essere leggermente maggiore della memoria richiesta (qualche byte di differenza). Questa differenza di dimensioni è memoria interna ad una partizione che non viene impiegata. • Si può ridurre la frammentazione esterna con la compattazione • Sposta i contenuti della memoria per avere tutta la memoria libera insieme in un grande blocco. • La compattazione è possibile solo con la rilocazione dinamica, e viene effettuata nel momento dell’esecuzione (execution time). • Si possono spostare tutti i processi verso un’estremità della memoria (questo schema è costoso). Sistemi Operativi

12. Paginazione • Un’altra soluzione alla frammentazione esterna è ottenuta consentendo la non contiguità degli indirizzi logici, permettendo così di allocare la memoria fisica ai processi ovunque essa sia disponibile. • Si divide la memoria fisica in blocchi di dimensione fissa chiamati frame (la dimensione è una potenza di 2, fra 512 byte e 8192 byte). • Si divide la memoria logica in blocchi della stessa dimensione chiamati pagine. • Si tiene traccia di tutti i frame liberi. • Per eseguire un programma con dimensione di n pagine, è necessario trovare n frame liberi prima di caricare il programma. • Si impiega una tabella delle pagine per tradurre gli indirizzi logici negli indirizzi fisici. • Si ha solo frammentazione interna (relativa all’ultimo frame). Sistemi Operativi

13. Paginazione • L’indirizzo generato dalla CPU viene suddiviso in: • Numero di pagina(p) – impiegato come indice in una tabella di pagine che contiene l’indirizzo di base di ciascuna pagina nella memoria fisica. • Offset nella pagina(d) – viene combinato con l’indirizzo di base per definire l’indirizzo fisico di memoria che viene inviato all’unità di memoria. Sistemi Operativi

14. Esempio di paginazione Sistemi Operativi

15. Tabella delle pagine • La tabella delle pagine risiede in memoria centrale. Si ha una tabella per ogni processo. • Il registro Page-TableBase Register (PTBR) punta alla tabella. • Il registro Page-Table Length Register (PRLR) indica la dimensione della tabella. • Con questo schema, ogni accesso a dati o istruzioni richiede di fatto due accessi alla memoria: uno per la tabella e uno per le istruzioni/dati. • Il problema dei due accessi alla memoria può essere risolto per mezzo dei registri associativi con i quali si ha una ricerca parallela veloce su una piccola tabella. • Traduzione dell’indirizzo (A´, A´´) • Se A´ si trova nel registro associativo, si prende frame # dal registro (A´´). • Altrimenti si prende frame # dalla tabella delle pagine in memoria Pagina # | Frame # Sistemi Operativi

16. Tempo di accesso effettivo • Lookup associativo =  unità di tempo. • Si suppone che un ciclo di memoria duri 1 microsecondo. • Hit ratio – percentuale di volte che un numero di pagina viene trovato nei registri associativi; è correlato con il numero di registri associativi. Si indica hit ratio = . • Tempo di accesso effettivo (EAT) EAT = (1 + )  + (2 + )(1 – ) = 2 +  –  Sistemi Operativi

17. Protezione della memoria • La protezione della memoria è implementata associando un bit di protezione a ciascun frame. Vengono impediti accessi non autorizzati (eventualmente si possono avere bit separati per lettura e scrittura). • Un ulteriore bit di validità viene considerato in ogni elemento della tabella delle pagine: • Un valore “valid” indica che la pagina associata è nello spazio logico del processo, e quindi è una pagina legale. • Un valore “invalid” indica che la pagina non si trova nello spazio logico del processo. Sistemi Operativi

18. Paginazione a due livelli (esempio) • Un indirizzo logico (in macchine a 32-bit con dimensione della pagina di 4K) viene suddiviso in: • un numero di pagina di 20 bit. • Un offset nella pagina di 12 bit. • Dato che la tabella di paginazione (essendo grande) è a sua volta paginata, il numero di pagina viene ulteriormente suddiviso in: • un numero di pagina di 10-bit. • Un offset nella pagina di 10-bit. • Quindi un indirizzo logico è costituito nel seguente modo:dove p1 è un indice nella tabella esterna, e p2 è lo spostamento dentro la pagina della tabella esterna. Offset in pagina Numero di pag p1 p2 d 10 10 12 Sistemi Operativi

19. Paginazione a due livelli (esempio) • Dato che ciascun livello viene memorizzato come una tabella separata in memoria, la traduzione di un indirizzo logico in uno fisico può richiedere quattro accessi alla memoria. • Anche se il tempo richiesto per un accesso alla memoria è quintuplicato, la presenza di cache consente di avere prestazioni ragionevoli. Sistemi Operativi

20. Tabella delle pagine invertita • Si ha un elemento della tabella per ogni pagina reale (frame) della memoria. • Gli elementi della tabella contengono l’indirizzo virtuale della pagina con informazioni sul processo che possiede tale pagina. • Viene ridotta la memoria richiesta per memorizzare ciascuna tabella di pagina, ma viene incrementato il tempo necessario per ricercare nella tabella quando si ha un riferimento alla pagina. • Notare che è necessario ricercare su tutta la tabella! Si impiegano tabelle hash per limitare la ricerca ad uno — o al più pochi — elementi della tabella. Sistemi Operativi

21. Architettura della tabella invertita Ciascun indirizzo virtuale è formato dalla tripla: <# processo, #pagina, offset> Sistemi Operativi

22. Pagine condivise • Codice condiviso • Una copia di codice a sola lettura (reentrant) viene condivisa fra processi (ad esempio: text editors, compilatori, sistemi a finestre). • Il codice condiviso deve apparire nella stessa locazione nello spazio logico di tutti i processi. • Codice e dati privati • Ciascun processo mantiene una copia separata dei dati e del codice. • Le pagine del codice e dei dati privati possono apparire ovunque nello spazio degli indirizzi logico. Sistemi Operativi

23. Esempio di pagine condivise Editor contenuto in tre pagine Sistemi Operativi

24. Segmentazione • Schema di gestione della memoria che asseconda la visione utente (l’utente generalmente non pensa alla memoria come ad un array lilneare di byte). • Un programma è una collezione di segmenti. Un segmento è una unità logica, come ad esempio: programma principale (main), procedura, funzione, variabili logiche, variabili globali, blocco comune, stack, tabella dei simboli, matrici. Gli elementi che si trovano all’interno di un segmento sono identificati dal loro offset. Sistemi Operativi

25. 1 4 2 3 Vista logica della segmentazione 1 2 3 4 Spazio dell’utente Spazio fisico di memoria Sistemi Operativi

26. Architettura della segmentazione • L’indirizzo logico è costituito da due elementi: <segment-number, offset> • Tabella dei segmenti – mappa lo spazio degli indirizzi bi-dimensionale (visto dall’utente); ciascun elemento della tabella contiene: • base: contiene l’indirizzo fisico di partenza dello spazio di memoria in cui risiedono i segmenti. • limit: indica la lunghezza del segmento. • Segment-table base register (STBR) punta alla tabella dei segmenti. • Segment-table length register (STLR) indica il numero di segmenti usati da un programma; un numero di segmento s è legale se s < STLR. Sistemi Operativi

27. Architettura della segmentazione • Rilocazione: dinamica, con una tabella dei segmenti. • Condivisione: si hanno segmenti condivisi, puntando allo stesso numero di segmento. • Allocazione: first fit/best fit. Si ha frammentazione esterna. • Protezione. Si associa a ciascun elemento della tabella dei segmenti: • bit di validità = 0  segmento illegale • privilegi read/write/execute • Bit di protezione vengono associati con i segmenti; la condivisione di codice viene implementata a livello di segmento. • Dato che i segmenti variano di dimensione, l’allocazione della memoria è dinamica, con i relativi problemi. Sistemi Operativi

28. Esempio di segmentazione Sistemi Operativi

29. Segmentazione con paginazione – Intel 386 • L’Intel 386 impiega una segmentazione con paginazione per la gestione della memoria con uno schema di paginazione a due livelli. Sistemi Operativi