3.4 Administración de Memoria Virtual

Las diferentes organizaciones de almacenamiento virtual generalmente implementadas son [7, Deitel]:

· Paginación.

· Segmentación.

· Segmentación y paginación.

Las estrategias para la administración de sistemas de almacenamiento virtual condicionan la conducta de los sistemas de almacenamiento virtual que operan según esas estrategias.

Se consideran las siguientes estrategias:

· “Estrategias de búsqueda”:

o Tratan de los casos en que una página o segmento deben ser traídos del almacenamiento secundario al primario.

o Las estrategias de “búsqueda por demanda” esperan a que se haga referencia a una página o segmento por un proceso antes de traerlos al almacenamiento primario.

o Los esquemas de “búsqueda anticipada” intentan determinar por adelantado a qué páginas o segmentos hará referencia un proceso para traerlos al almacenamiento primario antes de ser explícitamente referenciados.

· “Estrategias de colocación”:

o Tratan del lugar del almacenamiento primario donde se colocará una nueva página o segmento.

o Los sistemas toman las decisiones de colocación de una forma trivial ya que una nueva página puede ser colocada dentro de cualquier marco de página disponible.

· “Estrategias de reposición”:

o Tratan de la decisión de cuál página o segmento desplazar para hacer sitio a una nueva página o segmento cuando el almacenamiento primario está completamente comprometido.

3.4.1 Estrategia de Administración

Es un método mediante el cual, un sistema operativo simula tener más memoria principal que la que existe físicamente. Para implementar la memoria virtual se utiliza un medio de almacenamiento secundario de alta velocidad de acceso, generalmente en disco duro de la máquina. Un sistema de memoria virtual se implementa utilizando paginación como método de administración de memoria básica y algún mecanismo de intercambio (para descargar páginas de la memoria principal hacia el disco duro y para cargar esas páginas de nuevo a la memoria).

La memoria virtual es una técnica para proporcionar la simulación de un espacio de memoria mucho mayor que la memoria física de una máquina. Esta “ilusión” permite que los programas se hagan sin tener en cuenta el tamaño exacto de la memoria física. La ilusión de la memoria virtual esta soportada por el mecanismo de traducción de memoria, junto con una gran cantidad de almacenamiento rápido en disco duro. Así en cualquier momento el espacio de direcciones virtual hace un seguimiento de tal forma que una pequeña parte de el, esta en memoria real y el resto almacenado en el disco, y puede ser referenciado fácilmente.

Estrategias de administración de la memoria virtual

Estrategias del mejor ajuste: Un trabajo que entre en el sistema se colocará en el espacio vació del almacenamiento principal en el que quepa mejor y que deje la menor cantidad posible de espacio sin utilizar.

Estrategias del primer ajuste: Un trabajo que entre en el sistema se colocara en el almacenamiento principal en el primer vació disponibles lo bastante grande para contenerlo.

Estrategias del peor ajuste: Consiste en colocar un programa en el almacenamiento primario en el espacio vació donde peor se ajusta es decir en el espacio más grande posible.

Estrategias de obtención: Determina cuando se debe transferir una página o un segmento de almacenamiento secundario al primario. Las estrategias de obtención por demanda esperan a que un proceso en ejecución haga referencia a una página o a un segmento antes de traer la página o el segmento de almacenamiento primario. Los esquemas de obtención anticipada intentan determinar por adelantado a cuales paginas o segmentos hará referencia un proceso.

Estrategias de colocación: Determinan en qué lugar del almacenamiento primario se debe colocar una página o un segmento entrante. Una página entrante se puede colocar en cualquier marco de página disponible.

Estrategias de reemplazo: Sirven para decidir cuál página o segmento se debe desplazar para dar espacio a una página o segmento entrante cuando está completamente ocupado el almacenamiento primario.

Estrategias de Colocación: Determinan en qué lugar del almacenamiento primario se debe colocar una página o un segmento entrante. Una página entrante se puede colocar en cualquier marco de página disponible.

Estrategias de Reemplazo: Sirven para decidir cuál página o segmento se debe desplazar para dar espacio a una página o segmento entrante cuando está completamente ocupado el almacenamiento primario.

La memoria virtual ha llegado a ser un componente esencial de la mayoría de los sistemas operativos actuales. Y como en un instante dado, en la memoria sólo se tienen unos pocos fragmentos de un proceso dado, se pueden mantener más procesos en la memoria. Es más, se ahorra tiempo, porque los fragmentos que no se usan no se cargan ni se descargan de la memoria. Sin embargo, el sistema operativo debe saber cómo gestionar este esquema.

La memoria virtual también simplifica la carga del programa para su ejecución llamada reubicación, este procedimiento permite que el mismo programa se ejecute en cualquier posición de la memoria física

3.4.2 Técnicas de Reemplazo de Paginas

Estrategias de Reemplazo de página:

Las rutinas de administración de almacenamiento del Sistema operativo deben decidir que página del almacenamiento primario se debe desplazar para dejar espacio a una página entrante (Ah71)

Principio de Optimalizad: Para obtener un rendimiento óptimo, la página que se debe reemplazar es aquella que tardará más tiempo en ser utilizada. Esta estrategia óptima de reemplazo se denomina OPT o MIN.

Reemplazo de Páginas aleatorio: Es una técnica sencilla. Todas las páginas que se encuentran en el almacenamiento principal tienen la misma probabilidad de ser elegidas para el reemplazo. Esta estrategia podría seleccionar cualquier página para ser reemplazada, incluyendo la siguiente página la que se hará referencia. Las decisiones de reemplazo aleatorio se de páginas se pueden tomar rápidamente y con un número significativo de marcos de página. Es un esquema que casi no se utiliza por su enfoque aleatorio de acertar o errar.

Reemplazo de páginas de primeras entradas-primeras salidas (PEPS): Cada página se registra en el instante que entró en el almacenamiento primario. Cuando se necesita reemplazar una página, se escoge la que ha permanecido en el almacenamiento durante el mayor tiempo.

Anomalías PEPS: Belady, Nelson y Shelder descubrieron que al utilizar el reemplazo de páginas PEPS, ciertos patrones de referencia a página originan más fallas de páginas cuando aumenta el número de marcos de página asignados a un proceso. Este fenómeno se denomina Anomalía PEPS o anomalía Belady. La columna de la izquierda indica el patrón de referencias a páginas de un proceso. La primera tabla muestra como dicho patrón a referencia de páginas hace que las páginas se carguen a memoria y se reemplacen en secuencia PEPS cuando se asignan tres marcos de páginas a proceso. La segunda tabla muestra cómo se comporta éste proceso en las mismas circunstancias, pero con cuatro marcos de páginas asignados, a la izquierda de cada tabla se indica si la nueva referencia a una página ocasiona o no una falla de página. Cuando el proceso se ejecuta en cuatro páginas, experimenta una falla de página más que cuando se ejecuta con tres.

Reemplazo de páginas de la menos reciente utilizada: Se selecciona para su reemplazo, a aquella página que no se ha sido utilizada durante mayor tiempo. La estrategia se basa en que la heurística de localidad según en el cual el pasado reciente es un buen indicador del futuro cercano, de modo que LRU exige que se marque cada página con el instante en que .se hace referencia a ella. Por el trabajo adicional que requiere no se usa a menudo en los sistemas actuales; lo que se hace es utilizar estrategias que ese aproximen a la LRU y que no ocasionen grandes costos.

Reemplazo de páginas de la menos frecuentemente utilizada (LFU): La página por remplazar es aquella que ha sido utilizada menos frecuentemente o a la que se ha hecho referencia con menos frecuencia.

Al parecer estos esquemas de reemplazo de páginas corren cierto riesgo de tomar decisiones equivocadas. Esto sucede por el simple hecho de que no se puede predecir con precisión el futuro.

Reemplazo de páginas de la no utilizada recientemente (NUR): Como es deseable reemplazar una página que no estaba en el almacenamiento primario, la estrategia NUR se lleva a la práctica con la adición dedos bits de hardware por página. Esos bits son:

Bit de Referencia = O si no se ha hecho referencia a la página

= 1 se ha hecho regencia a la página,

Bit de Modificación = O si la página no ha sido modificada

= 1 si la página ha sido modificada.

El bit de modificación se denomina a menudo Bit sucio. La estrategia NUR trabaja: Inicialmente, los bits de referencias de todas las páginas valen cero. Cuando ocurre una referencia a una página, su bit de referencia toma el número uno. Cuando se va a reemplazar una página a la que no se ha hecho referencia .Si una página no ha sido objeto de una referencia se comprueba si ha sido modificada. Si lo ha sido se reemplaza. Pues requiere menos trabajo que el reemplazo de una página modificada, la cual debe escribirse en el almacenamiento secundario. De otro modo hay que reemplazar una página modificada.

Los bits de referencia de las páginas activas cambiarán a 1 casi de inmediato. Según se ha descrito el esquema NUR origina la existencia de cuatro grupos de páginas:

Grupo 1 sin referencia no modificado

Grupo 2 sin referencia modificado

Grupo 3 con referencia no modificado

Grupo 4 con referencia modificado

Las páginas de los dos primeros grupos se reemplazarán primero, y las de los últimos grupos, al final. Las páginas de un grupo se seleccionan aleatoriamente para ser reemplazadas. Obsérvese que el grupo 2 parece describir una situaci6n irreal en la que las páginas han sido modificadas, pero no se ha hecho referencia a ellas; sin embargo, esto es una consecuencia simple de la reiniciación periódica de los bits de referencia (pero no de los bits de modificaci6n) y es perfectamente razonable.

Modificaciones de PEPS; reemplazo de páginas por reloj y reemplazo de páginas con segunda oportunidad: La estrategia PEPS puede decidir reemplazar una página muy utilizada que ha permanecido en memoria durante mucho tiempo. Esta posibilidad se puede evitar reemplazando sólo aquellas páginas cuyos bits de referencia valgan O.

La variante de PEPS denominada “con segunde oportunidad” examina el bit de referencia de la página más antigua; si este bit vale O, se selecciona de inmediato la página para ser reemplazada. Si el bit de referencia vale 1, se le asigna el valor O y la página se pasa al final de la lista y se considera en esencia como una página nueva; gradualmente dicha página se desplaza hacia el principio de la lista, donde será seleccionada para reemplazo sólo si su bit de referencia sigue valiendo O. En esencia, esto da a la página una segunda oportunidad de permanecer en el almacenamiento principal si su bit de referencia cambia a 1 antes de que la página llegue al principio de la lista. La variación ‘z’ del reloj” del algoritmo de la segunda oportunidad dispone las páginas en una lista circular, en lugar de en una lista lineal.

Un apuntador a la lista se desplaza alrededor de la lista circular en la misma forma que gira la manecilla de un reloj. Cuando el bit de referencia de una página toma el valor O, el apuntador se mueve al siguiente elemento de la lista (simulando el movirl1iento de esta página al final de la lista PEPS).





3.4.3 Paginación por Demanda

Un sistema de paginación por demanda es similar a un sistema de paginación con intercambios. Los procesos residen en memoria secundaria (en el disco). Cuando queremos ejecutar un proceso, lo metemos en memoria. Sin embargo, en vez de intercambiar todo el proceso hacia la memoria, utilizamos un intercambiador perezoso. Un intercambiador perezoso nunca reincorpora una página a memoria a menos que se necesite. Como ahora consideramos un proceso como una secuencia de páginas, en vez de un gran espacio contiguo de direcciones, el término intercambio es técnicamente incorrecto. Un intercambiador manipula procesos enteros, mientras que un paginador trata con las páginas individualmente de un proceso.

Cuando un proceso se reincorpora, el paginador lleva a memoria las páginas necesarias. Así evita colocar en la memoria páginas que no se utilizarán, reduciendo el tiempo de intercambio y la cantidad de memoria física necesaria.

Este esquema requiere apoyo del hardware. Generalmente se añade un bit más a cada entrada de la tabla de páginas: un bit válido-inválido. Cuando este bit está asignado como válido, indica que la página asociada se encuentra en memoria. Si el bit está como inválido, este valor indica que la página está en disco. Una página marcada como inválida no tendrá ningún efecto si el proceso nunca intenta acceder a esa página.

¿Pero qué sucede si el proceso trata de usar una página que no se incorporó a la memoria? Si adivinamos mal y el proceso trata de acceder a una página que no se trajo a memoria, ocurrirá una trampa de fallo de página. El hardware de paginación, al traducir la dirección mediante la tabla de páginas, observará que el valor del bit es inválido, generando una trampa para el sistema operativo (error de dirección no válido). Normalmente, un error de dirección no válida es consecuencia de intentar utilizar una dirección de memoria ilegal; en este caso, el proceso deberá terminar. Sin embargo, en esta situación la trampa es el resultado del fallo de página del sistema operativo al no transferir a memoria una parte válida del proceso, tratando de minimizar el tiempo adicional de transferencia de disco y los requisitos de memoria. Por tanto, debemos corregir esta omisión.

3.4.4 Paginación Anticipada

¿Qué es la paginación anticipada?

En la paginación anticipada, el sistema operativo intenta predecir las páginas que necesitara un proceso y entonces carga dichas cuando hay espacio disponible.

Mientras el proceso se ejecuta con sus páginas actuales, el sistema carga las demás páginas que estarán disponibles cuando las requiera el proceso.

El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga paginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir.

3.4.5 Liberación de Página

Un proceso usuario puede emitir una “liberación voluntaria de página” para liberar el marco de página cuando ya no necesitara esa página. Se puede eliminar el “desperdicio” y acelerar la ejecución.

El inconveniente es que la incorporación de mandatos de liberación de páginas dentro de los programas de usuarios puede ser peligroso y retrasar el desarrollo de aplicaciones.

“Los compiladores y S. O. deberían detectar automáticamente situaciones de liberación de página mucho antes de lo que es posible con estrategias de conjuntos de trabajo”.

Estrategias de reemplazo de páginas

Menos frecuentemente utilizada (LFU)

• Se reemplaza la página a la que se ha hecho referencia con menos frecuencia.

No utilizada recientemente (NUR)

• Las páginas no utilizadas recientemente, es poco probable que sean referenciadas en un futuro cercano. Por ello se las elige para el reemplazo.

3.4.6 Tamaño de Página

Al diseñar una máquina hay que tomar una decisión sobre el mejor tamaño de página. Como podrá suponer, no hay un tamaño único que sea el mejor, pero existen varios factores que apoyan tamaños distintos. Los tamaños son invariablemente potencias de dos, que suelen ir de 512 (29) a 16384 (214) bytes.

¿Cómo seleccionamos el tamaño de página? Un factor es el tamaño de la tabla de páginas. Para un espacio de memoria virtual establecido, al reducir el tamaño aumenta el número de páginas y, por tanto, el tamaño de la tabla de páginas. Para una memoria virtual de 4 MB habría 4096 páginas de 1K bytes, pero sólo 512 páginas de 8192 bytes. Como cada proceso activo debe tener su propia tabla de páginas, sería deseable un tamaño de página grande.

Por otra parte, la memoria se utiliza mejor con páginas pequeñas. Una parte de la última página estará asignada pero no totalmente ocupada (fragmentación interna). Suponiendo que los tamaños de los procesos y de la página son independientes, podemos esperar que, en promedio, se desperdiciara la mitad de la última página de cada proceso. Esta pérdida representaría sólo 256 bytes en una página de 512 bytes, pero serían 4096 bytes en una página de 8192. Para minimizar la fragmentación interna necesitamos un tamaño de página pequeño.

Otro problema es el tiempo necesario para leer o escribir una página. El tiempo de E/S está compuesto por tiempo de búsqueda, latencia y transferencia.