02 Administración de Memoria

Administración de Memoria

La memoria es uno de los principales recursos de la computadora, la cual debe de administrarse con mucho cuidado. Aunque actualmente la mayoría de los sistemas de cómputo cuentan con una alta capacidad de memoria, de igual manera las aplicaciones actuales tienen también altos requerimientos de memoria, lo que sigue generando escasez de memoria en los sistemas multitarea y/o multiusuario.

La parte del sistema operativo que administra la memoria se llama administrador de memoria y su labor consiste en llevar un registro de las partes de memoria que se estén utilizando y aquellas que no, con el fin de asignar espacio en memoria a los procesos cuando éstos la necesiten y liberándola cuando terminen, así como administrar el intercambio entre la memoria principal y el disco en los casos en los que la memoria principal no le pueda dar capacidad a todos los procesos que tienen necesidad de ella.

Los sistemas de administración de memoria se pueden clasificar en dos tipos: los que desplazan los procesos de la memoria principal al disco y viceversa durante la ejecución y los que no.

El propósito principal de una computadora es el de ejecutar programas, estos programas, junto con la información que accesan deben de estar en la memoria principal (al menos parcialmente) durante la ejecución.

Para optimizar el uso del CPU y de la memoria, el sistema operativo debe de tener varios procesos a la vez en la memoria principal, para lo cual dispone de varias opciones de administración tanto del procesador como de la memoria. La selección de uno de ellos depende principalmente del diseño del hardware para el sistema. A continuación se observarán los puntos correspondientes a la administración de la memoria.

Memoria real

La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos. Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la información contenida en ella es de más rápido acceso. Solo la memoria cache es más rápida que la principal, pero su costo es a su vez mayor.

Sin intercambio

Monoprogramación sin intercambio o paginación

Cuando solo se tiene un proceso que ocupe la memoria a la vez, el esquema de la administración de la memoria es el más sencillo que hay. Sin embargo, éste método ya no tiene aplicación en la actualidad, ya que era visto en las computadoras con sistemas operativos de un solo usuario y una sola tarea. El usuario introducía su disco a la computadora (por lo general, la máquina no contaba con disco duro) y ejecutaba su aplicación, la cual acaparaba toda la máquina.

Multiprogramación y uso de memoria

Esta organización facilita la programación de una aplicación al dividirla en dos o más procesos. Además ofrece la capacidad de tener más de un proceso a la vez en memoria así puede ofrecer servicios a varios usuarios a la vez.

El esquema de multiprogramación incrementa el aprovechamiento del CPU, dado que a diferencia de la monoprogramación en donde solo un proceso reside en memoria a la vez limitando el uso del procesador a las llamadas que requiera dicho proceso, desperdiciando un promedio del 80% del tiempo del procesador. En cambio la multiprogramación, al tener varios procesos en la memoria principal y dividiéndose el tiempo de uso del procesador, logra reducir drásticamente el desperdicio del procesador.

Multiprogramación con particiones fijas

Para poder implementar la multiprogramación, se puede hacer uso de particiones fijas o variables en la memoria. En el caso de las particiones fijas, la memoria se puede organizar dividiéndose en diversas partes, las cuales pueden variar en tamaño. Esta partición la puede hacer el usuario en forma manual, al iniciar una sesión con la máquina.

Una vez implementada la partición, hay dos maneras de asignar los procesos a ella. La primera es mediante el uso de una cola única (figura 2a) que asigna los procesos a los espacios disponibles de la memoria conforme se vayan desocupando. El tamaño del hueco de memoria disponible es usado para localizar en la cola el primer proceso que quepa en él. Otra forma de asignación es buscar en la cola el proceso de tamaño mayor que se ajuste al hueco, sin embargo hay que tomar en cuenta que tal método discrimina a los procesos más pequeños. Dicho problema podría tener solución si se asigna una partición pequeña en la memoria al momento de hacer la partición inicial, el cual sería exclusivo para procesos pequeños.

Multiprogramación con particiones variables

Este esquema fue originalmente usado por el sistema operativo IBM OS/360 (llamado MFT), el cual ya no está en uso.

El sistema operativo lleva una tabla indicando cuáles partes de la memoria están disponibles y cuáles están ocupadas. Inicialmente, toda la memoria está disponible para los procesos de usuario y es considerado como un gran bloque o hueco único de memoria. Cuando llega un proceso que necesita memoria, buscamos un hueco lo suficientemente grande para el proceso. Si encontramos uno, se asigna únicamente el espacio requerido, manteniendo el resto disponible para futuros procesos que requieran de espacio.

Consideremos el ejemplo de la figura 3, en donde se cuenta un espacio reservado para el sistema operativo en la memoria baja de 400K y un espacio disponible para procesos de usuario de 2160K, siendo un total de memoria del sistema de 2560K. Dada la secuencia de procesos de la figura y usando un algoritmo de First Come – First Served (FCFS) se puede asignar de inmediato memoria a los procesos P1, P2 y P3, creando el mapa de memoria de la figura 4(a) en el cual queda un hueco de 260K que ya no puede ser utilizado por el siguiente proceso dado que no es suficiente para abarcarlo.

Compactación de memoria

Cuando un proceso llega y necesita memoria, el sistema operativo busca en la tabla de huecos alguno lo suficientemente grande para el proceso. Si el hueco es muy grande, lo parte en dos. Una parte es asignada al proceso y la otra se identifica como hueco. Cuando el proceso termina y la memoria es liberada, el espacio es identificado como un hueco más en la tabla y si el nuevo hueco es adyacente con otro, ambos huecos se unen formando un solo hueco más grande. En ese momento se debe de checar si no existen procesos a los que este nuevo hueco pueda darles cabida.

Asignación dinámica

El proceso de compactación del punto anterior es una instancia particular del problema de asignación de memoria dinámica, el cual es el cómo satisfacer una necesidad de tamaño n con una lista de huecos libres. Existen muchas soluciones para el problema. El conjunto de huecos es analizado para determinar cuál hueco es el más indicado para asignarse. Las estrategias más comunes para asignar algún hueco de la tabla son:

• Primer ajuste: Consiste en asignar el primer hueco con capacidad suficiente. La búsqueda puede iniciar ya sea al inicio o al final del conjunto de huecos o en donde terminó la última búsqueda. La búsqueda termina al encontrar un hueco lo suficientemente grande.
• Mejor ajuste: Busca asignar el espacio más pequeño de los espacios con capacidad suficiente. La búsqueda se debe de realizar en toda la tabla, a menos que la tabla esté ordenada por tamaño. Esta estrategia produce el menor desperdicio de memoria posible.
• Peor ajuste: Asigna el hueco más grande. Una vez más, se debe de buscar en toda la tabla de huecos a menos que esté organizada por tamaño. Esta estrategia produce los huecos de sobra más grandes, los cuales pudieran ser de más uso si llegan procesos de tamaño mediano que quepan en ellos.

Se ha demostrado mediante simulacros que tanto el primer y el mejor ajuste son mejores que el peor ajuste en cuanto a minimizar tanto el tiempo del almacenamiento. Ni el primer o el mejor ajuste es claramente el mejor en términos de uso de espacio, pero por lo general el primer ajuste es más rápido.

Memoria virtual

Paginación

Hasta ahora, los métodos que hemos visto de la administración de la memoria principal, nos han dejado con un problema: fragmentación, (huecos en la memoria que no pueden usarse debido a lo pequeño de su espacio) lo que nos provoca un desperdicio de memoria principal.

Una posible solución para la fragmentación externa es permitir que espacio de direcciones lógicas lleve a cabo un proceso en direcciones no contiguas, así permitiendo al proceso ubicarse en cualquier espacio de memoria física que esté disponible, aunque esté dividida. Una forma de implementar esta solución es a través del uso de un esquema de paginación. La paginación evita el considerable problema de ajustar los pedazos de memoria de tamaños variables que han sufrido los esquemas de manejo de memoria anteriores. Dado a sus ventajas sobre los métodos previos, la paginación, en sus diversas formas, es usada en muchos sistemas operativos.

Al utilizar la memoria virtual, las direcciones no pasan en forma directa al bus de memoria, sino que van a una unidad administradora de la memoria (MMU –Memory Management Unit). Estas direcciones generadas por los programas se llaman direcciones virtuales y conforman el hueco de direcciones virtuales. Este hueco se divide en unidades llamadas páginas. Las unidades correspondientes en la memoria física se llaman marcos para página o frames. Las páginas y los frames tienen siempre el mismo tamaño.

Tablas de páginas

Cada página tiene un número que se utiliza como índice en la tabla de páginas, lo que da por resultado el número del marco correspondiente a esa página virtual. Si el bit presente / ausente es 0, se provoca un señalamiento (trap) hacia el sistema operativo. Si el bit es 1, el número de marco que aparece en la tabla de páginas se copia en los bits de mayor orden del registro de salida, junto con el ajuste (offset) de 12 bits, el cual se copia sin modificaciones de la dirección virtual de entrada. Juntos forman una dirección física de 15 bits. El registro de salida se coloca entonces en el bus de la memoria como la dirección en la memoria física.

Algoritmos de reemplazo de páginas

Con el uso del método de paginación se puede llegar a saturar la memoria si se incrementa demasiado el nivel de multiprogramación. Por ejemplo, si se corren seis procesos, cada uno con un tamaño de diez páginas de las cuales en realidad sólo utiliza cinco, se tiene un mayor uso del CPU y con marcos de sobra. Pero pudiera suceder que cada uno de esos procesos quiera usar las diez páginas resultando en una necesidad de 60 marcos, cuando solo hay 40 disponibles.

Esto provoca sobre-asignación y mientras un proceso de usuario se está ejecutando, ocurre un fallo de página. El hardware se bloquea con el sistema operativo, el cual checa en sus tablas internas y se da cuenta que es un fallo de página y no un acceso ilegal de memoria. El sistema operativo determina si la página está residiendo en disco, pero también determina que no hay marcos de memoria disponibles en la lista de marcos libres.

Al ocurrir el fallo de página, el sistema operativo debe elegir una página para retirarla de la memoria y usar el espacio para la página que se necesita para desbloquear el sistema y que el hardware pueda seguir trabajando. Si la página por eliminar de la memoria fue modificada, se debe volver a escribir al disco para mantener la información actualizada; de lo contrario, si la página no fue modificada no es necesario rescribir la información a disco y la página que se carga simplemente se escribe sobre la página a borrar en memoria. La figura 8 muestra gráficamente un intercambio de páginas entre la memoria principal y el disco (memoria secundaria).

Algoritmo de reemplazo "Primero en entrar, primero en salir" (FIFO)

El algoritmo más sencillo para remplazo de páginas es el FIFO (First In – First Out). Este algoritmo asocia a cada página el momento en que ésta fue traída a memoria. Cuando una página debe ser reemplazada se selecciona a la más antigua.

No es estrictamente necesario registrar el momento de entrada de la página a memoria, sino que se puede crear una cola en la que se van agregando las páginas conforme van llegando a la memoria. Cuando se debe eliminar una página, se selecciona la que está al frente de la lista (o sea, la más antigua de la lista). Cuando llega una página nueva, se inserta en la parte trasera de la cola.