PDF de programación - Sistemas operativos - Gestión de memoria

SISTEMAS OPERATIVOS
GESTIÓN DE MEMORIA

Pedro de Miguel Anasagasti

ÍNDICE

© UPM 2015

● Servidor de memoria
● Regiones de memoria del proceso
● Fichero ejecutable
● Utilización de memoria en bruto
● Necesidades de memoria de un proceso
● Memoria virtual
● Protección de memoria
● Fichero proyectado en memoria
● Bibliotecas dinámicas
● Servicios UNIX de gestión de memoria

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SERVIDOR DE MEMORIA

INTRODUCCIÓN

El gestor de memoria de un SO de propósito general
tiene dos facetas complementarias.

● Servidor de memoria para los procesos.
● Soporte a la memoria virtual.

Los procesos no entienden del soporte físico del mapa
de memoria, ya sea este soporte memoria principal o
memoria virtual, solamente entienden de direcciones
dentro del mapa de memoria del procesador.
Cuando el gestor de memoria asigna un marco de
página a un proceso, no significa que el proceso vea
más memoria. Simplemente establece un soporte físico
más rápido a una zona de la memoria del proceso.

0

Programa

n > m

Datos

Pila

Mapa de
memoria

2 -1n

0
Memoria
principal
2 -1m

Disco

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Mapa de
memoria

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n
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I

1



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n
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g
e
R

2



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R

3



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n
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e
R

Página en memoria
Página en disco

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REQUISITOS DE LA GESTIÓN DE MEMORIA
El S.O. multiplexa los recursos entre los procesos

● Cada proceso cree que tiene una máquina para él solo.

• Gestión de procesos: Reparto de procesador.
• Gestión de memoria: Reparto de memoria.

Funciones del servidor de memoria

© UPM 2015

● Crear la imagen de los procesos a partir de los ficheros ejecutables.

• Ofreciendo a cada proceso los recursos de memoria necesarios, dando

soporte a las regiones necesarias.

• Proporcionando grandes espacios de memoria a los procesos.

● Proporcionar protección entre procesos. Aislar los procesos.

• Pero permitir que los procesos compartan memoria de forma controlada.

● Controlar los recursos:

• Direcciones de los mapas de memoria ocupadas y libres.
• Direcciones de memoria principal y de intercambio ocupadas y libres.
• Recuperar los recursos de memoria liberados por los procesos.

● Tratar los errores de acceso a memoria: detectados por el HW.
● Optimizar las prestaciones del sistema.

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REGIONES DE MEMORIA DEL PROCESO

MEMORIA DEL PROCESO I
Las necesidades de memoria de un proceso se resuelven a dos
niveles:

● Por el SO: Visión global o macroscópica consistente en regiones.
● Por las bibliotecas del lenguaje usado para el programa: Visión de

detalle o microscópica consistente en objetos dentro de las
regiones.

Los lenguajes de programación suelen permitir la asignación dinámica
de objetos de memoria, lo que puede obligar a modificar las regiones.
El SO tiene un visión macroscópica de la memoria de un proceso,
consistente en las regiones, que son grandes trozos de memoria
contigua.

● El proceso tiene unas pocas regiones (p.e. código, datos y pila).
● En un sistema con memoria real (sin memoria virtual) todas las

regiones están en una misma zona contigua de memoria principal.

• Se deja un espacio de memoria principal para el crecimiento
dinámico de las regiones (desaprovechamiento de recursos).

● En memoria virtual las regiones están separadas, alineadas a

página y están formadas por un número entero de páginas.

• Al crear o crecer es cuando se requiere asignar soporte físico.
• Los espacios entre regiones no tienen soporte físico.

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Mapa de
memoria

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R

Página en memoria
Página en disco

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MEMORIA DEL PROCESO II

© UPM 2015

El programa tiene una visión microscópica de la memoria, consistente en
variables y estructuras de datos.

● Crear una variable dinámica que quepa en la correspondiente región no

implica al SO (lo resuelven las bibliotecas del lenguaje).

● Crear una variable dinámica que no quepa en la correspondiente región

implica activar al SO para que aumente dicha región, o cree una nueva. De
ello se encargan las bibliotecas del lenguaje, liberando al programador de
esta tarea.

● Las bibliotecas del lenguaje utilizado en el desarrollo del programa

gestionan el espacio disponible en la región de datos dinámicos.

• Solamente llaman al SO cuando tienen que variar el tamaño de la

región, o crear una nueva región.

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IMAGEN DE MEMORIA

Imagen de memoria: conjunto de regiones (o segmentos) de
memoria asignados a un proceso.

Características de una región

● Es una zona contigua de direcciones de memoria definida

por:

• Una dirección de comienzo
• y un tamaño.

● Fuente: lugar donde se almacena el valor inicial.
● Puede ser compartida o privada.
● Niveles de protección típicos: RWX.
● Puede tener tamaño fijo o variable.

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I

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Mapa de
memoria

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R

Página en memoria
Página en disco

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REGIONES DEL PROCESO

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Las regiones más relevantes de la imagen de memoria del proceso son:

● Código (texto): Contiene el código máquina del programa.
● Datos, que se organiza en:

• Datos con valor inicial: Variables globales inicializadas.
• Datos sin valor inicial: Variables globales no inicializadas.
• Datos creados dinámicamente o heap.

● Pila: soporta los registros de activación de los procedimientos.

La estructuración en regiones depende del diseño del SO.

● Puede haber una sola región que englobe datos con valor inicial, datos sin

valor inicial y datos creados dinámicamente.

● O puede haber regiones separadas para distintos tipos de datos.

En un sistema con memoria virtual las regiones se alinean a página,
ocupando un número entero de páginas.

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OPERACIONES SOBRE REGIONES

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● Creación de región

• Al crear el mapa inicial o por una solicitud posterior
• En sistemas con memoria virtual no se asignan marcos de memoria

principal, se asigna swap o rellenar con 0

● Liberación de región

• Al terminar el proceso o por solicitud posterior
• Se recuperan los recursos (swap y marcos)

● Cambio de tamaño de región

• Del heap o de la pila
• En sistemas con memoria virtual no se asigna memoria principal

● Duplicado de región

• Operación requerida por el servicio FORK de POSIX

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MAPA DE MEMORIA DE UN PROCESO HIPOTÉTICO

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Mapa de memoria

Código

Datos con valor inicial
Datos sin valor inicial

Heap

Compartido
Privado
Privado
Privado

R–X
RW–
RW–
RW–

Tamaño
Fijo
Fijo
Fijo
Variable

Fuente
Ejecutable
Ejecutable
← 0
0
←

Fichero proyectado F

Com./Priv.

??–

Variable

Fichero

Zona de memoria compartida

Compartido

??–

Variable

←

0

Código biblioteca dinámica B

Datos con val. inic. bibl. B
Datos sin val. inic. bibl. B

Compartido
Privado
Privado

R–X
RW–
RW–

Fijo
Fijo
Fijo

Biblioteca
Biblioteca
←

0

Pila de thread 1

Privado

RW–

Variable

←

0

Pila del proceso

Privado

RW–

Variable

←

0 (pila inicial)

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CARACTERÍSTICAS DE LAS REGIONES

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Características típicas de las regiones creadas en el arranque del proceso
Región de código.

● Compartida, RX, tamaño fijo, fuente: el fichero ejecutable.

Región de datos con valor inicial.

● Privada, RW, tamaño fijo, fuente: el fichero ejecutable.

Región de datos sin valor inicial.

● Privada, RW, tamaño fijo, fuente: rellenar con 0.

Región de pila.

● Privada, RW, tamaño variable, fuente: rellenar con 0.
● Pila inicial (creada al arrancar el programa):

• Variables de entorno.
• Argumentos del programa.

(En la sección de protección se tratará el porqué de rellenar con 0).

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Otras regiones de la imagen creadas durante ejecución
Región de Heap.

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● Soporte de memoria dinámica gestionada por el lenguaje (p.e. malloc en C).
● Persistencia controlada por el programador.
● Privada, RW, tamaño variable, fuente: rellenar con 0.

Memoria compartida.

● Región asociada a la zona de memoria compartida.
● Compartida, tamaño variable, fuente: rellenar con 0.
● Protección especificada en proyección.

Fichero proyectado.

● Región asociada a cada fichero proyectado.
● Compartida o privada, tamaño variable, fuente: el fichero proyectado.
● Protección especificada en proyección.

Pilas de threads.

● Cada pila de thread corresponde con una región.
● Mismas características que pila del proceso.

Biblioteca dinámica.

● Regiones asociadas al código y datos de cada biblioteca dinámica.

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CREACIÓN DE REGIONES

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El gestor de memoria crea las regiones de memoria cuando:

● se crea un proceso (fork),
● se cambia el programa del proceso (exec),
● o se solicita una nueva región.

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FICHERO EJECUTABLE

El fichero ejecutable contiene toda la información para crear el proceso.
Existen distintos formatos (p.e. Executable and Linkable Format (ELF)).
Estructura del ejecutable: Cabecera y conjunto de secciones.
Cabecera:

© UPM 2015

Cabecera

Secciones

0

1000

5000

8000

Fichero Ejecutable

Número mágico

Contador de programa inicial

....................

Tabla de secciones

Código

(constantes)

Datos con valor inicial

. . . . . . . . . . . . . . . .

Tabla de símbolos

Despl. Tam.
Código
4000
1000
Datos con v.i.
5000
1000
------
Datos sin v.i.
500
...................... ........ ........
T. Símbolos
1000

8000

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SECCIONES DEL EJECUTABLE

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Secciones principales

● Sección de código (texto): Contiene código del programa. Suele incluir

también las constantes del programa y cadenas de caracteres.

● Sección de datos con valor inicial: Variables globales inicializadas.

Otras secciones

● Tabla de símbolos para depuración y montaje dinámico.
● Lista de bibliotecas dinámicas usadas.

No existen secciones para

● Datos estáticos sin valor inicial: Variables globales no inicializadas.

• Aparece en tabla de secciones pero no se a