CCT-UFCA/Ciência da Computação/Sistemas Operacionais/Gerenciamento de Memória

Hierarquia de Memória e Tipos de Memória

A hierarquia de memória reflete a organização de diferentes tipos de memória, priorizando velocidade, custo e capacidade.

• Hierarquia:
  1. Registradores: Memória mais rápida, localizada dentro do processador, mas com capacidade limitada.
  2. Cache: Rápida e volátil, armazena dados frequentemente acessados para acelerar o processamento.
  3. Memória Principal (RAM): Fornece acesso rápido, mas é limitada em tamanho e volátil.
  4. Armazenamento Secundário (HD/SSD): Alta capacidade, mais lento e usado para armazenamento persistente.
  5. Armazenamento Externo: Dispositivos como pendrives ou discos externos.
• Tipos de Memória:
  • Memória Volátil: RAM e cache, que perdem os dados quando o sistema é desligado.
  • Memória Não Volátil: HDDs, SSDs e ROMs que mantêm os dados após o desligamento.

Exemplo: A CPU primeiro verifica o cache para buscar dados. Se não estiver presente, busca na RAM; se não estiver na RAM, é procurado no disco rígido.

Alocação de Memória (Particionamento, Paginação, Segmentação)

O sistema operacional organiza a memória disponível entre os processos usando técnicas específicas:

• Particionamento:
  • Divisão da memória em blocos fixos ou variáveis.
  • Particionamento Fixo: A memória é dividida em blocos de tamanho fixo.
    • Problema: Fragmentação interna (espaço desperdiçado dentro de blocos).
  • Particionamento Dinâmico: Divisão em blocos de tamanho variável para melhor adequação aos processos.
    • Problema: Fragmentação externa (espaço não utilizado entre os blocos).
• Paginação:
  • A memória é dividida em páginas (processos) e quadros (memória física), todos do mesmo tamanho.
  • Vantagem: Evita fragmentação externa.
  • Desvantagem: Pode haver fragmentação interna se as páginas não forem totalmente preenchidas.

Exemplo: Um processo pode ser armazenado em quadros não contíguos de memória, facilitando a utilização.

• Segmentação:
  • Divide a memória em segmentos lógicos, como variáveis globais, pilhas e código, cada um com tamanho variável.
  • Vantagem: Facilita a proteção e modularização do processo.
  • Desvantagem: Pode causar fragmentação externa.

Gerenciamento de Memória Virtual

A memória virtual permite que o sistema operacional ofereça aos processos mais memória do que a fisicamente disponível, simulando-a em disco.

• Funcionamento:
  • Usa espaço de armazenamento no disco rígido (swap) como uma extensão da memória principal.
  • Quando a memória principal está cheia, páginas de menor prioridade são movidas para a área de swap.

Exemplo: Em sistemas Linux, a memória virtual é gerenciada através de arquivos ou partições de swap configuráveis, permitindo a execução de processos maiores que a RAM disponível.

Políticas de Substituição de Páginas

Quando a memória está cheia, o sistema precisa liberar espaço para novas páginas usando políticas de substituição:

• First-In, First-Out (FIFO):
  • A página mais antiga na memória é substituída.
  • Desvantagem: Pode remover páginas frequentemente acessadas.
• Least Recently Used (LRU):
  • A página menos utilizada recentemente é substituída.
  • Vantagem: Oferece bom desempenho, pois baseia-se no comportamento real de acesso.
• Optimal Replacement:
  • Remove a página que não será usada por mais tempo no futuro.
  • Desvantagem: Difícil de implementar, pois exige conhecimento prévio.

Exemplo: Se houver 4 quadros disponíveis na memória e 6 páginas, o sistema decide quais páginas manter dependendo da política em uso.

Proteção e Segurança da Memória

O sistema operacional protege a memória dos processos contra acessos indevidos e garante a integridade do sistema.

• Mecanismos de Proteção:
  • Tabelas de Páginas: Restringem o acesso a áreas de memória não autorizadas.
  • Bits de Proteção: Identificam se um bloco de memória é de leitura, gravação ou execução.
• Segurança:
  • Memória Isolada: Cada processo acessa apenas seu espaço de memória.
  • Criptografia: Protege dados sensíveis armazenados na memória principal.

Exemplo: Em sistemas como o Windows, o ASLR (Address Space Layout Randomization) randomiza endereços de memória para dificultar ataques.

Referências:

1. https://www.inf.pucrs.br/~calazans/undergrad/OAP/Apoio/04_Introducao-Hierarquia-de-Memoria.pdf
2. https://www.diegomacedo.com.br/swapping-x-paginacao-x-segmentacao-x-memoria-virtual/
3. https://blog.grancursosonline.com.br/sistemas-operacionais-gerencia-de-memoria/
4. https://www.inf.ufrgs.br/~johann/sisop1/aula19.substituindo.pdf
5. https://www.soescola.com/glossario/o-que-e-memory-protection