Memoria Centrale: gestione nei sistemi operativi universitari

Contenuti

• Generalità
• Tecniche di Gestione della Memoria
  • Allocazione Contigua
  • Paginazione
  • Segmentazione
  • Segmentazione Paginata

Generalità sulla Gestione della Memoria Centrale

La condivisione della memoria da parte di più processi è un aspetto essenziale in quanto influenza direttamente l'efficienza del sistema (tempo di risposta, utilizzo della CPU, ... )

Si devono affrontare le seguenti problematiche

• allocazione della memoria ai singoli job/processi
• protezione dello spazio di indirizzamento
• condivisione dello spazio di indirizzamento
• gestione dello swapping

Si tenga presente che nei moderni sistemi la gestione della memoria risulta inseparabile dal concetto di memoria virtuale (argomento che tratteremo nelle prossime lezioni)

Vincolo di Funzionamento della Memoria

Vincolo di funzionamento: al fine di essere eseguito, un programma deve essere portato in memoria e trasformato in un processo. Infatti:

• la CPU preleva le istruzioni da eseguire dalla memoria in base al valore del program counter
• ogni istruzione viene decodificata e può prevedere il prelievo di operandi dalla memoria
• al termine dell'esecuzione dell'istruzione, il risultato può dover essere scritto in memoria
• al terminare del processo, la "sua" memoria viene rilasciata

Ma di che (indirizzi di) memoria stiamo parlando?

Indirizzi di Memoria

• La "trasformazione" di un programma in una entità dinamica, il processo, avviene attraversando alcune fasi precedenti alla esecuzione vera e propria (compilazione, collegamento, ... ).
• In ogni fase si assume una diversa semantica degli indirizzi e dello spazio di memoria
• ciò introduce una distinzione tra spazio degli indirizzi logici e spazio degli indirizzi fisici
• Gli indirizzi hanno quindi diverse rappresentazioni nelle varie fasi di costruzione di un programma

Binding degli Indirizzi

• gli indirizzi del programma sorgente sono simbolici
• nella fase di compilazione si associano agli indirizzi simbolici degli indirizzi rilocabili
• nella fase di collegamento (linker) o di caricamento (loader) si associano agli indirizzi rilocabili degli indirizzi assoluti

Lib X 100 1100 21100 memoria) Prog Sorgente Compilatore Modulo oggetto Linker Modulo caricabile Loader immagine Tempo di compilazione Tempo di caricamento Tempo di esecuzione L'associazione tra indirizzi simbolici e indirizzi fisici è detta binding

Binding degli Indirizzi: Momenti di Associazione

Il binding di dati/istruzioni a indirizzi assoluti può avvenire in vari momenti:

• Al tempo di compilazione: (binding statico al compile time)
  • se la posizione nella memoria centrale ove andrà collocato il programma è nota a priori, si può generare un codice assoluto
  • se si vuole collocare il programma in una posizione diversa, si deve ricompilare
• Al tempo di caricamento: (binding statico al load time)
  • per fare ciò si deve generare (tramite la compilazione) del codice rilocabile (=riposizionabile)
  • tutti gli indirizzi sono relativi (all'inizio del programma)
  • se si vuole cambiare la collocazione, basta ricaricare
• Al tempo di esecuzione: (binding dinamico, al run time)
  • in questo caso il binding è posticipato: il processo può essere spostato, durante l'esecuzione, in posizioni diverse della memoria
  • è richiesto un adeguato supporto hardware (per garantire l'efficienza: ad es. registri base e limite)

Binding degli Indirizzi: Rappresentazione Schematica

Schematicamente, la CPU genera indirizzi logici che corrispondono a locazioni di memoria fisica:

Indirizzo logico Indirizzo fisico CPU MEM STATICO: Compile time & load time Indirizzo logico Indirizzo fisico CPU HW MEM DINAMICO: Run time (tempo di esecuzione) Un HW particolare effettua il binding dinamico: la MMU

MMU: Rilocazione Dinamica

Il contenuto di un particolare registro, il registro di rilocazione, viene aggiunto ad ogni indirizzo riferito da un processo. Con l'indirizzo risultante si accede alla memoria:

relocation register 14000 logical address physical address CPU + memory 346 14346 MMU

Caricamento: Statico o Dinamico?

Il caricamento (loading) può essere:

Statico: l'intero codice viene caricato in memoria per procedere all'esecuzione Dinamico: cerca di migliorare l'utilizzo della memoria centrale:

• i moduli di codice vengono caricati al momento del loro primo utilizzo
• conseguenza: le parti del codice non utilizzate non vengono caricate, "risparmiando" memoria
• tecnica utile quando il codice è suddivisibile in parti che gestiscono "casi specifici" (es. error handling)

Solitamente il caricamento dinamico richiede un intervento minimo da parte del S.O .: si può realizzare a livello di linguaggio/programma

Collegamento: Statico o Dinamico?

Statico: tutti i riferimenti del codice sono definiti prima dell'avvio dell'esecuzione. L'immagine del processo contiene tutto il codice delle eventuali librerie utilizzate Dinamico: è utilizzato solitamente per il codice delle librerie

• il linking viene posticipato al tempo di esecuzione
• conseguenza: il codice del programma non include il codice delle librerie, ma solo dei riferimenti (stub)
• lo stub indica dove trovare il codice della libreria alla prima necessità. Caricata la libreria lo stub viene rimpiazzato con la sua locazione in memoria
• tutti i processi eseguono una istanza dello stesso codice di librerie (di cui una sola copia è in memoria)

Il linking dinamico richiede un intervento essenziale da parte del S.O. (può interessare spazi di memoria di processi diversi)

Swapping

Con la tecnica dello swapping, un processo può essere rimosso dalla memoria principale, swapped out, e spostato in memoria secondaria. In seguito potrà essere ricaricato in memoria principale, swapped in.

operating system process 1 swap out 2 swap in process P2 user space backing store main memory

Dettagli sullo Swapping

• il tempo di swapping è proporzionale all'ammontare dei dati trasferiti
• ha senso se c'è multiprogrammazione (altrimenti si dovrebbe attivare ad ogni context switch)
• di norma è necessario il supporto al binding dinamico per poter ri-locare i processi quando vengono swapped-in ...
• ... infatti con il binding statico si deve ricaricare il processo sempre nella stessa posizione
• i moderni S.O. contemplano lo swapping, in una qualche forma

Swapping: Tecniche Alternative

La tecnica di swapping descritta finora è anche detta swapping standard Alcuni sistemi operativi adottano forme diverse di swapping:

• per evitare di trasferire l'intero processo (costoso in termini di tempo impiegato) molti moderni S.O. effettuano lo swapping limitatamente a porzioni del processo, dette pagine. La tecnica è connessa all'uso della paginazione, che vedremo in seguito
• I sistemi operativi dei dispositivi mobili (ad esempio Android e iOS) non operano swapping di processi. Ciò per vari motivi:
  • la memoria di solito è flash e non sono presenti HD
  • la memoria flash presenta un limite al numero di scritture, lo swapping (tradizionale o solo di pagine) degraderebbe la memoria
  • invece di effettuare swapping, se c'è necessità di liberare memoria, il S.O. richiede alla app di rinunciare a parte della memoria allocata; oppure sottrae alla app le pagine di memoria non modificate; oppure (come ultima opzione) termina la app

Considerazioni sulla Gestione della Memoria

• in presenza di multiprogrammazione non è praticamente possibile fissare staticamente la locazione ove un processo verrà caricato
• la presenza di swapping impone l'impiego di rilocazione dinamica

Sono necessarie delle tecniche specifiche per la gestione della memoria principale. Nel caso si preveda che il programma sia interamente caricato in memoria principale, le principali tecniche sono:

• Allocazione contigua
• Paginazione
• Segmentazione
• Segmentazione paginata

Tecniche di Gestione della Memoria

Allocazione Contigua

Allocazione Contigua

• I processi sono allocati in memoria in posizioni contigue: ogni processo occupa una unica sezione di memoria di dimensione pari alla sua dimensione
• La memoria viene suddivisa in due "zone":
  • una utilizzata dal S.O. (solitamente la zona "bassa" contenente il vettore delle interruzioni)
  • una dedicata ai processi utente
• La memoria viene quindi suddivisa in partizioni distinte: ognuna accoglierà un processo.

Due varianti di questo approccio:

• Allocazione contigua con partizioni fisse
• Allocazione contigua con partizioni variabili

Allocazione Contigua: Partizioni Fisse

• La memoria viene suddivisa in un insieme di partizioni di dimensioni prefissate (non necessariamente tutte uguali)
• la scelta di quante partizioni e delle dimensioni viene fatta una volta per tutte
• un processo viene caricato in una partizione in grado di contenerlo interamente

Operating System 8M Operating System 8M 2 M 8M 4M 6M 8M 8M 8M 8 M 12 M 8 M 8 M 16 M 8M (a) Equal-size partitions (b) Unequal-size partitions

Allocazione Contigua: Partizioni Fisse e Allocazione della Memoria

Il long-term scheduling determina la partizione in cui caricare un processo Due tecniche base:

• una coda per ciascuna partizione
• una coda singola

Operating System Operating System New Processes New Processes (a) One process queue per partition (b) Single process queue

• Una coda per partizione.
  • alla sua creazione un processo viene assegnato coda relativa alla partizione più piccola tra quelle in grado di contenerlo
  • limitata flessibilità: ci possono essere processi in coda e partizioni vuote non utilizzate (perchè relative ad altre code)
• Coda singola. Il processo viene allocato nella partizione libera più piccola tra quelle in grado di contenerlo (se non esiste: swap-out)