Memória Virtual

Memória virtual é uma técnica sofisticada e poderosa de gerência de memória onde as memórias principal e secundária são combinadas, dando ao usuário a impressão de que existe muito mais memória do que a capacidade real de memória principal.

O conceito de memória virtual baseia-­se em não vincular o endereçamento feito pelo programa aos endereços físicos da memória principal. Desta forma, o programa e suas estruturas de dados deixam de estar limitados ao tamanho da memória física disponível, pois podem possuir endereços vinculados à memória secundária, que funciona como uma extensão da memória principal.

Outra vantagem desta técnica é permitir um número maior de processos compartilhando a memória principal, já que apenas partes de cada processo estarão residentes. Isto leva a uma utilização mais eficiente do processador, além de minimizar (ou quase eliminar) o problema da fragmentação.

A seguir, os conceitos que envolvem a gerência de memória virtual, incluindo a paginação: ­

- Espaço de endereçamento virtual:  o conjunto de endereços virtuais que um processo pode endereçar.

- Espaço de endereçamento real: analogamente, é o conjunto de endereços reais que um processo pode endereçar. ­

- Mapeamento: como o espaço de endereçamento virtual não tem nenhuma relação com o espaço de endereçamento real, um programa pode fazer referência a um endereço virtual que esteja fora dos limites da memória principal (real), ou seja, os programas e suas estruturas de dados não estão mais limitados ao tamanho da memória física disponível. Quando um programa é executado,  apenas uma parte do seu código fica residente na memória principal, permanecendo o restante na memória virtual até o momento de ser referenciado. Este esquema de endereçamento virtual é ignorado pelo programador no desenvolvimento das aplicações.  Cabe ao compilador e ao linkeditor gerar códigos executáveis em função do endereçamento virtual, e o sistema operacional se incumbe de administrar os detalhes durante a sua execução. O processador apenas executa instruções e referencia dados residentes no espaço de endereçamento real. Portanto, deve existir um mecanismo que transforme os endereços virtuais em endereços reais. Este mecanismo é o que chamamos de mapeamento, e consiste em permitir a tradução do endereço virtual em endereço real. Como conseqüência, um programa não mais precisa estar necessariamente em endereços contíguos na memória real para ser executado. ­

- Tabela de endereçamento de páginas: estrutura mantida pelo sistema para armazenar, entre outras informações, o mapeamento. É única e exclusiva para cada processo, relacionando os endereços virtuais do processo ás suas posições na memória real. ­

- Memória virtual por paginação: é a técnica de gerência de memória onde o espaço de endereçamento virtual e o espaço de endereçamento real são divididos em blocos do mesmo tamanho chamados páginas. As páginas do espaço virtual são chamadas páginas virtuais, enquanto as páginas do espaço real são chamadas páginas reais ou frames. ­

- Page fault: é a falha de página. Sempre que o processo referencia um endereço virtual, o sistema verifica se a página correspondente já está carregada na memória real. Se não estiver, acontece o page fault. Neste caso, o sistema deve transferir a página virtual para um endereço na memória real. Esta transferência é chamada de paginação. O número de page faults gerados por um processo em um determinado intervalo de tempo é chamado de taxa de paginação do processo. Se esta taxa atingir valores elevados, pode haver um comprometimento do desempenho do sistema. Um page fault provoca uma interrupção no processo, pois há a necessidade de acessar operações de E/S. Assim, sempre que acontece a paginação, uma interrupção de E/S fará com que o processo em execução seja interrompido e colocado em estado de espera até que sua intervenção de E/S seja realizada, quando então o processo voltará à fila de pronto e entrará em execução de acordo com o escalonamento normal. Enquanto o sistema trata a interrupção deste processo, um outro ocupará a CPU.

- Working­set: é o conjunto de páginas de um processo, em memória real, em um determinado instante. Este conceito surgiu com o objetivo de reduzir o problema do thrashing e está relacionado ao princípio da localidade. Existem dois tipos de localidade que são observados durante a execução da maioria dos programas. A localidade espacial é a tendência de que, após uma referência a um endereço de memória, sejam realizadas novas referências a endereços próximos ou adjacentes. A localidade espacial é a tendência de que, após a referência a uma posição de memória, esta mesma posição seja referenciada novamente num curto intervalo de tempo. A partir desse princípio de localidade, o processador tenderá a concentrar suas referências a um conjunto de páginas do processo durante um determinado período de tempo. Imagine um loop principal de um programa que ocupe três páginas. A tendência é que estas três páginas tenham um alto índice de referências durante a execução do programa. ­

- Thrashing: é o efeito causado pelo excesso de page faults durante a execução de um processo. Pode acontecer a nível de programa ou de sistema. A nível de programa, pode ser provocado por um programa mal escrito, com desvios incondicionais espalhados por seu código (desobedecendo portanto aos princípios da localidade), ou por um limite de working­set muito pequeno (que não comporte o loop principal do programa, por exemplo). A solução para estes casos é reescrever o programa ou aumentar o limite do working­set. No caso de thrashing de sistema, significa que há mais páginas sendo requeridas na memória real do que ela pode realmente suportar. A solução é aumentar o tamanho da memória física. ­

- Tamanho da página: deve estar entre 512 bytes e 128KB, aproximadamente. Páginas menores promovem maior compartilhamento da memória, permitindo que mais programas possam ser executados. Páginas maiores diminuem o grau de compartilhamento da memória, com menos programas disputando o processador. Assim conclui-­se que quanto menor o tamanho da página, MAIOR é o grau de compartilhamento da memória e da CPU. ­

- Políticas de busca de páginas: definem como as páginas serão carregadas da memória virtual para a memória real. A política por demanda estabelece que uma página somente será carregada quando for referenciada. Este mecanismo é conveniente, pois leva para a memória real somente as páginas realmente necessárias à execução do programa, ficando as outras na memória virtual. A outra política, chamada paginação antecipada, funciona carregando antecipadamente várias páginas da memória virtual para a principal, na tentativa de economizar tempo de E/S. Nem sempre o sistema acerta na antecipação, mas o índice de acertos é quase sempre maior que o de erros. ­

- Políticas de alocação de páginas: determinam quantos frames cada processo pode manter na memória real. A política de alocação fixa determina um limite de working­set igual para todos os processos, e pode ser vista como uma política injusta, na medida em que processos maiores normalmente necessitam de um working­set maior. A outra política é a variável, que define um limite de working­set diferente e variável para cada processo, em função de seu tamanho, taxa de paginação ou até mesmo da taxa de ocupação da memória principal. 4 ­ Políticas de substituição de páginas: definem onde serão trocadas as páginas, quando se fizer necessária uma substituição. Na política local, somente as páginas do processo que gerou o page fault são candidatas a serem substituídas.Já na política global, todas as páginas alocadas na memória principal são candidatas à substituição, independente do processo que gerou o page fault. Como uma página de qualquer processo pode ser escolhida, pode ser que este processo sofra um aumento temporário da taxa de paginação em função da diminuição das suas páginas alocadas em memória.