Sistemas Operacionais

Memória Virtual

Professor: Gabriel Soares Baptista

Introdução

Hoje veremos como o SO cria a ilusão de uma memória grande, contínua e privada para cada processo.

Problema central: como executar programas cujo espaço de endereçamento é maior que a RAM física, sem obrigar o programador a dividir tudo manualmente?

Por que Memória Virtual?

• Programas e bibliotecas crescem mais rápido que a memória física
• Múltiplos processos: a soma excede a RAM
• Swapping de processos inteiros é lento (segundos)

Antes: overlays. Programa dividido manualmente em módulos pelo programador. Trabalhoso, sujeito a erro.

Memória virtual: troca a unidade de transferência — mover pedaços do espaço, não o processo inteiro. O processo enxerga um espaço próprio dividido em páginas.

Paginação — Conceitos

Páginas e Quadros — Exemplo

Espaço virtual de 16 bits = 64 KB. RAM de 32 KB. Páginas de 4 KB.

• $64/4 = 16$ páginas virtuais
• $32/4 = 8$ quadros físicos

Mais páginas virtuais que quadros físicos. Nem todas podem estar na RAM.

Como um Endereço é Dividido

Páginas de 4 KB = $2^{12}$ = 12 bits de deslocamento.

Endereço de 16 bits: 4 bits de página + 12 bits de deslocamento.

Tradução: número da página virtual → índice na tabela de páginas → quadro físico. O deslocamento não muda.

Exemplo de Tradução

Endereço virtual $8196$:

• Página: $\lfloor 8196/4096 \rfloor = 2$
• Deslocamento: $8196 - 2 \cdot 4096 = 4$

Se página 2 está no quadro 6: $6 \cdot 4096 + 4 = 24580$

$8196_{virtual} \rightarrow 24580_{físico}$

Falta de Página (Page Fault)

Ocorre quando a página virtual acessada não está presente na RAM.

1. CPU acessa endereço virtual
2. MMU detecta bit presente/ausente = 0
3. Hardware gera interrupção → SO
4. SO escolhe quadro livre ou vítima
5. Se vítima suja, grava no disco
6. Carrega página faltante do disco
7. Atualiza tabela, reinicia instrução

Entrada da Tabela de Páginas

TLB — Translation Lookaside Buffer

A tradução acontece em todo acesso à memória. Sem aceleração, o custo dobra.

TLB: pequena memória associativa dentro da MMU que guarda traduções recentes.

Programas têm localidade de referência: usam poucas páginas por vez.

TLB Hit e TLB Miss

TLB hit: tradução está na TLB → acesso instantâneo

TLB miss: não está na TLB → consulta a tabela de páginas

Tabelas para Memórias Grandes

Espaço virtual de 32 bits com páginas de 4 KB: $2^{20}$ páginas (1 milhão).

Espaço de 64 bits: número impraticável.

Duas soluções:

• Tabelas multinível: só existem tabelas para regiões usadas
• Tabelas invertidas: uma entrada por quadro físico

Tabelas Multinível

Endereço de 32 bits: PT1 (10) + PT2 (10) + deslocamento (12)

PT1 → tabela nível 1 → PT2 → tabela nível 2 → quadro físico

Ganho: regiões vazias do espaço não precisam de tabelas de nível 2.

Tabelas Invertidas

Vantagem: economiza MUITA memória em espaços de 64 bits.

Custo: não dá para usar a página como índice direto → precisa de TLB + hash.

Substituição de Páginas

Quando a RAM está cheia e ocorre uma falta: qual página remover?

• Página limpa → descartar
• Página suja → gravar no disco antes

Escolha ruim = nova falta quase imediata.
Escolha boa = remove página pouco provável de ser usada em breve.

Algoritmo Ótimo

Remove a página cujo próximo uso está mais distante no futuro.

Não é implementável: o SO não conhece o futuro.

Serve como referência para avaliar outros algoritmos.

NRU — Não Usada Recentemente

Usa os bits $R$ (referenciada) e $M$ (modificada). $R$ é limpo periodicamente.

Remove página aleatória da menor classe não vazia.

Por que Classe 1 Existe?

Parece contraditório: suja mas não referenciada?

Explicação: página de classe 3 (R=1, M=1) recebe interrupção de relógio → $R$ é zerado, $M$ permanece → vira classe 1.

Isso distingue páginas ativas há pouco das ativas agora.

FIFO

Mantém páginas em ordem de chegada. Remove a mais antiga.

Problema: a mais antiga pode ser muito usada. Idade ≠ inutilidade.

Exemplo com 3 quadros: $1, 2, 3, 4, 1$

• Remove $1$ (mais antiga) para carregar $4$
• $1$ é referenciada logo depois → nova falta

Segunda Chance

Melhora o FIFO: examina o bit $R$ da página mais antiga.

• $R = 0$: remove a página
• $R = 1$: zera $R$, move para o fim da fila, continua procurando

Se todas têm $R=1$, o algoritmo dá a volta e remove a primeira que ficou com $R=0$.

Relógio (Clock)

Mesma ideia da segunda chance, mas sem mover páginas na fila.

Quadros em lista circular. Ponteiro avança como relógio.

• $R = 0$: remove e insere nova página
• $R = 1$: zera $R$ e avança

LRU — Usada Menos Recentemente

Remove a página não usada há mais tempo.

Intuição: passado recente é bom preditor do futuro próximo.

Problema: implementar exato exigiria atualizar estruturas a cada acesso. Caro demais sem hardware especial.

Envelhecimento (Aging)

Simula LRU em software com contadores de $n$ bits.

A cada interrupção de relógio:

1. Desloca contador 1 bit à direita
2. Insere bit $R$ no bit mais à esquerda
3. Zera $R$

Referências recentes pesam mais que antigas. Remove página com menor contador.

Conjunto de Trabalho

Localidade de referência: programa usa um conjunto pequeno de páginas por fase.

Conjunto de trabalho: páginas usadas nas últimas $k$ referências (ou nos últimos $\tau$ segundos).

• Cabe na RAM → poucas faltas
• Não cabe → thrashing (ultrapaginação)

Resumo dos Algoritmos

Destaques práticos: Envelhecimento (aproxima LRU) e WSClock (aproxima conjunto de trabalho).

Questões de Implementação

SO participa da paginação em 4 momentos:

• Criação: tabelas de página, área de swap
• Execução: garantir MMU use tabelas corretas
• Falta de página: buscar página, escolher vítima, reiniciar
• Término: liberar tabelas, quadros, backing store

Tratamento de Falta de Página

1. Hardware detecta a falta
2. Salva estado do processo
3. Identifica endereço virtual que falhou
4. Verifica validade do acesso
5. Inválido → mata processo
6. Válido → localiza página no disco
7. Escolhe quadro (livre ou vítima)
8. Se vítima suja → grava no disco
9. Lê página necessária
10. Atualiza tabela e TLB
11. Reinicia instrução

Páginas Fixas e Armazenamento

• Páginas fixas: não podem ser removidas durante E/S. Dispositivo pode estar acessando diretamente.
• Armazenamento de apoio: swap, executável, biblioteca ou arquivo mapeado.
• Política vs mecanismo: separar o que fazer de como fazer aumenta flexibilidade.

Segmentação

Outra visão: em vez de espaço linear único, o processo tem vários espaços independentes chamados segmentos.

Cada segmento: código, pilha, tabela de símbolos, constantes, etc.

Endereço: $(\text{segmento},\ \text{deslocamento})$

Paginação vs Segmentação

Segmentação Pura e com Paginação

Segmentação pura: segmentos contíguos na RAM → fragmentação externa.

Segmentação com paginação: cada segmento é paginado. MULTICS, Intel x86. Combina organização lógica com flexibilidade física.

Próximos Passos

Na próxima parte, a base de memória virtual será essencial para entender:

• Como sistemas de arquivos gerenciam armazenamento
• Como E/S interage com cache e paginação
• A tensão entre abstração, desempenho e persistência