Fundamentos de Sistemas Operativos

Fundamentos de
Sistemas Operativos
Release 1.0
Editor: Armando Arce
April 29, 2015
Contents
1
Introducción
3
2
Estructuras del sistema
5
3
Procesos
3.1 Gestión de Procesos . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Analizando los Procesos . . . . . . . . . . . . .
3.3 Información de un proceso . . . . . . . . . . . .
3.4 Estados de un proceso . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Procesos Ligeros . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Procesos e Hilos . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Multihilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8 Hilos de Nivel de Usuario y de Nivel de Núcleo .
3.9 Modelos Multihilos . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Hilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11 POSIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12 Hilos Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.13 Hilos Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.14 POSIX vs Windows . . . . . . . . . . . . . . .
3.15 Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.16 Notas bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . .
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Administración de memoria
4.1 Fundamentos . . . . . . . . . . .
4.2 Intercambio . . . . . . . . . . . .
4.3 Asignación de memoria contigua
4.4 Mapeo de memoria y protección .
4.5 Asignación de memoria . . . . .
4.6 Segmentación . . . . . . . . . .
4.7 Glosario . . . . . . . . . . . . .
4.8 Referencias . . . . . . . . . . . .
4.9 Bibliografía . . . . . . . . . . . .
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Memoria virtual
5.1 Fundamentos . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Paginación bajo demanda . . . . . . .
5.3 Fallos de página . . . . . . . . . . . .
5.4 Copia durante escritura . . . . . . . . .
5.5 Sustitución de páginas . . . . . . . . .
5.6 Mecanismos de sustitución de páginas:
5.7 Asignación de Marcos . . . . . . . . .
5.8 Sobrepaginación o Hiperpaginación . .
5.9 Asignación de Memoria del Kernel . .
5.10 Glosario . . . . . . . . . . . . . . . .
5.11 Notas Bibliográficas . . . . . . . . . .
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Sistemas de archivos
6.1 Diseño de sistemas de almacenamiento
6.2 Tipos de sistemas de archivo . . . . . .
6.3 Localización de bloques . . . . . . . .
6.4 Métodos de localización . . . . . . . .
6.5 Directorios . . . . . . . . . . . . . . .
6.6 Concepto de directorio . . . . . . . . .
6.7 Visión lógica de los directorios . . . .
6.8 Estructura de los directorios . . . . . .
6.9 Implementación de Directorios . . . .
6.10 Administración del Espacio en Disco .
6.11 Rendimiento del Sistema de Archivos .
6.12 Organización del directorio . . . . . .
6.13 Estructura física del directorio . . . . .
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Funcionamiento del directorio . .
Permisos de archivos y directorios
Rutas de Directorios . . . . . . .
Glosario . . . . . . . . . . . . .
Referencias . . . . . . . . . . . .
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
Este documento consiste de la recopilación de distintas conceptos fundamentales relacionados con los sistemas operativos El mismo ha
sido realizado por los estudiantes del curso de “Principios de Sistemas Operativos” que se impartió en la Escuela de Computación del
Tecnológico de Costa Rica (Cartago, Costa Rica), durante el primer
semestre del 2015.
El esquema base inicial para este trabajo ha sido el libro “Fundamentos de Sistemas Operativos” de Silberschatz, Galvin y Gagne publicado por la editorial Mc Graw Hill en 2005.
La edición de las diferentes recopilaciones de los estudiantes estuvo a
cargo del profesor Armando Arce.
Contents
1
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
2
Contents
CHAPTER 1
Introducción
3
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
4
Chapter 1. Introducción
CHAPTER 2
Estructuras del sistema
5
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6
Chapter 2. Estructuras del sistema
CHAPTER 3
Procesos
Recopilado por:
3.1 Gestión de Procesos
3.1.1 Conceptos Generales
Un “programa” se define como un compuesto secuencial de órdenes
que puede interpretar un mecanismo. Un “proceso” se define como
una agrupación de acciones aplicadas a una entidad para modificarla,
en nuestro caso lo analizaremos como un programa en ejecución que
sufre varias modificaciones.
El elemento esencial de un sistema operativo es el que se ocupa de
administrar los procesos, dado que pueden surgir diferentes escenarios como por ejemplo que distintos procesos deban iniciar el envío de
un correo electrónico a través de la misma aplicación de Outlook de
Microsoft
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.1.2 Elementos de un proceso
Durante la ejecución de un programa, un proceso constantemente
cambia los valores de los diferentes elementos involucrados, tanto así
que el sistema operativo almacena diferentes datos sobre un momento
dado en que se encuentra un proceso. El encargado de esta acción es
el bloque de control de proceso. En la imagen de memoria se encuentran el código y los datos de un proceso.
3.1.3 Clasificación de sistema operativos según
los procesos
Los sistemas operativos se pueden clasificar según el número de procesos y usuarios: - Monotarea ó Monoproceso: existe un sólo proceso
en un determinado momento. - Multitarea ó Multiproceso: existen
varios procesos en un determinado momento. - Monousuario: permite un sólo usuario a la vez. - Multiusuario ó Tiempo Compartido:
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
permite varios usuarios simultáneos ejecutando múltiples tareas.
3.1.4 Manipulación sobre un proceso
El sistema operativo nos permite manejar a los procesos por medio de
las siguientes esenciales operaciones:
• Crear un proceso: derivado de un proceso padre (ej. UNIX) o
de la acción de abrir un archivo ejecutable (ej. WINDOS).
• Ejecutar un proceso: existen dos maneras de ejecución. Batch
no está asociado a una estación y su entrada y salida de datos
son proporcionados por un archivo. La otra manera Interactiva
está asociado a una estación y su entrada depende un usuario y
salida es desplegada a éste.
• Terminar un proceso: un proceso puede finalizar por tres causas
posibles. Un programa ha llegado a su final; se generó un error
de ejecución; otro proceso o el usuario finalizó el proceso.
3.2 Analizando los Procesos
3.2.1 Dependencia entre los procesos
Ciertos sistemas operativos mantienen un orden de dependencia entre
procesos como lo es el caso de UNIX, donde se encuentran diferentes
rangos como Padre, Hijo, Hermano o Abuelo. Además es posible
reunir a varios procesos bajo un esquema de grupos y un entorno específico, para así poder realizar una manipulación más amplia sobre
varios de estos.
3.2.2 Sistemas multiproceso
Por ser este el sistema más complejo, ahondaremos en sus características principales, que son: paralelismo real entre procesador y fun-
3.2. Analizando los Procesos
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ciones de entrada y salida; memoria principal apta para guardar varios
procesos; y la capacidad de cambiar entre las funciones de entrada y
salida y el procesamiento.
3.2.3 Procesos Nulos
El procesador nunca se detiene de realizar acciones. Pero realmente
tienen que existir momentos donde el procesador no realiza ningún
trabajo provechoso, de aquí que nacen los procesos nulos, que sirven
para distraer al procesador cuando no existe otro trabajo por realizar.
3.2.4 Ventajas de los sistemas multiproceso
Entre las ventajas de la utilización de estos sistemas, tenemos:
• Modularidad. Fracciona la ejecución de una aplicación en varios procesos y así favorece la programación.
• Brinda una útil asistencia de la manera más eficaz, interactiva y
concurrente a la necesidad de varios usuarios.
• Explota los períodos de tiempo de procesos nulos para terminar
la realización de peticiones de funciones de entrada y salida.
• Incrementa la utilización del CPU puesto que emplea el tiempo
muerto cuando los procesos están obstruidos.
3.2.5 Grado de multiprogramación
Se entiende por grado de multiprogramación a la cantidad de procesos vivos que ampara un sistema. Lo que se busca es que a mayor
grado de multiprogramación el sistema realize menos procesos nulos, pero esto conlleva a que el sistema posee mayores requerimientos
de memoria. Entonces a mayor cantidad de procesos, mayor será el
grado de multiprogramación.
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.3 Información de un proceso
Para estudiar un proceso detenidamente, dividiremos las partes de un
proceso en cuatro componentes principales.
3.3.1 Estado de un procesador
El estado de un procesador es conformado y almacenado por todos
los registros de su procesador y el BCP. Cuando un proceso se encuentra en ejecución, los registros son constantemente actualizados
con nuevos valores para no tener que recurrir a la memoria principal, debido a que la velocidad de respuesta es cuantiosamente más
lenta, pero el BCP no es actualizado. Es hasta que un proceso se ve
interrumpido debido a las tres causas posibles que delimitamos anteriormente, que entonces el sistema operativo estable con nuevos datos
al BCP, en este caso con los datos del estado del procesador actual.
3.3.2 Imagen de memoria del proceso
El sistema operativo delimita los campos de memoria que pueden conformar la imagen de memoria de un proceso. Entre las características
más distinguidas se encuentran las siguientes:
• La imagen de memoria es el lugar exclusivo para almacenar información del proceso, no puede se guardar en direcciones no
asignadas, por lo que eventualmente se debería de levantar una
excepción tras ser detectada por el hardware de protección. Y
finalmente el sistema operativo debería interrumpir dicho proceso.
• La imagen de memoria apunta a memoria virtual o memoria
física, según el computador.
• La imagen de memoria aumenta o disminuye según la asignación dinámica de memoria que requieren los procesos.
3.3. Información de un proceso
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.3.3 Información del BCP
En este elemento se encuentra la información elemental de un proceso, como lo son: la información de identificación del proceso y del
usuario; el estado del procesador con los valores originales o los valores en el momento en que fue interrumpido un proceso. Y finalmente
la información de control del proceso, que contiene el estado del proceso, prioridad del proceso, información de planificación, evento que
está interrumpiendo este proceso, archivos abiertos, puertos de comunicación asignados, punteros sobre otros procesos y descripción de la
sección de memoria concedida a un proceso
3.3.4 Tablas del sistema operativo
Es imperativo mantener tablas con información que detalla recursos
del sistemas y a los procesos, pero solo cierta información se introduce en el BCP según la exigencia de compartir la información y la
eficiencia.
Por eficiencia, la tabla de procesos es conformada como un esqueleto
estático para que todos los BCPs contengan el mismo tamaño. Y por
otro lado, cuando una información se debe compartir entre distintos
procesos, lo mejor es no incluirla en el BCP, por lo que solamente se
almacenarán punteros hacia esa información.
3.3.5 Formación de un proceso
Para inicializar un proceso se debe rellenar toda la información que
comprende un proceso, para esto el sistema operativo realiza las siguientes operaciones:
• Fijar un espacio de memoria virtual conformado por una serie
de secciones, para alojar la imagen de memoria.
• Escoger un BCP disponible de la tabla de la procesos.
• Completar el BCP con toda la información requerida antes
mencionada como la información de identificación de proceso,
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
con los detalles de la memoria concedida, con los valores originales de los registros, etc.
• Introducir las rutinas de sistema y el código en el segmento de
texto
• Introducir los datos preliminares del fichero objeto en el segmento de datos
• Designar la nueva pila a ser utilizada por el proceso con los valores del entorno y los parámetros requeridos por el programa.
• Finalmente, el estado del este proceso pasa a ser preparado
para ejecutar.
3.4 Estados de un proceso
Los procesos vivos de un sistema multiproceso se pueden encontrar
en cinco fases distintas, de las cuales, las tres siguientes tres primeros
3.4. Estados de un proceso
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
son las elementales.
3.4.1 Ejecución
En esta fase, el proceso se encuentra en una etapa de procesamiento,
está siendo realizado por el procesador. El estado del proceso habita
en los registros del procesador.
3.4.2 Bloqueado
En esta fase, el proceso se encuentra interrumpido, a la espera de
que suceda un evento por lo tanto no puede proseguir hasta que este
ocurra. Un ejemplo típico de esta fase es la espera a una petición de
la función de entrada y salida. El estado del proceso habita en el BCP.
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.4.3 Listo
En esta fase, el proceso se encuentra preparado para ejecutar su procesamiento. El sistema operativo es el encargado de indicar cuál proceso
es el siguiente a pasar a la fase de ejecución en caso de existir más de
un proceso en fase de listo. El estado del proceso habita en el BCP.
3.4.4 Suspendido
Existen otras dos fases, de un proceso. Fase de espera y fase de suspendido. Es muy usual que exista un repertorio de procesos en espera
para ser consumados a la mayor brevedad.
Para reducir el grado de multiprogramación el sistema operativo recurre a suspender ciertos procesos, esto con el fin primordial de liberar
la adecuada cantidad de memoria para los procesos que no se encuentran suspendidos. Mas es de reconocer que esta opción de suspender
procesos no se encuentra disponible en todos los sistemas operativos
como el caso de un sistema monoproceso.
3.4.5 Cambio de contexto
Se denomina cambio de contexto a la acción de, primero, guardar
el estado de un proceso en su debido BCP y, segundo, a proceder a
realizar la rutina que procesa una interrupción del sistema operativo.
Estas dos acciones pueden posiblemente incurrir en cambiar valores
del estado de otros procesos.
3.5 Procesos Ligeros
3.5.1 Conceptos Generales
Se entiende por un proceso ligero a un programa que se encuentra
en una corriente de ejecución y que comparte cierta información y su
3.5. Procesos Ligeros
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
imagen de memoria junto a otros procesos ligeros. Un proceso puede
contener una única corriente de ejecución normal o varias corrientes
de ejecución ligeras que ocurren en paralelo simultáneamente.
Un proceso ligero contiene elementos propios a si mismo como lo son
los siguientes principales: el contador de programa, registros, estado
del proceso y pila. Mas, estos procesos ligeros comparten cierta información en común dado que proviene de un proceso principal. Entre ellos se encuentran: temporizadores, archivos abiertos, variables
globales, espacio de memoria asignada.
3.5.2 Estados de un proceso ligero
Un proceso ligero también puede encontrarse en los tres estados típicos de en ejecución, preparado y bloqueado. Con la única diferencia
de que el estado general del proceso en si, depende de la composición
de todos sus estados ligeros, al aplicar la función lógica de AND u OR
dependiendo de la fase en que se encuentre.
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.5.3 Paralelismo
Los procesos ligeros permiten cierto grado de paralelismo al habilitar
que todos ellos se ejecuten de forma simultánea.
3.5.4 Diseño con procesos ligeros
La utilización de procesos ligeros proporciona ciertas ventajas como
lo son: la división de tareas y así asignar cada tarea a un proceso
ligero único; permite la modularidad al separar una operaciones en
suboperaciones e incrementa la velocidad de realización de una tarea
en general.
3.5. Procesos Ligeros
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.6 Procesos e Hilos
Uno de los principales conceptos relacionados al sistema operativos
son los procesos. No obstante, este está muy relacionado con otro
el cual se conoce como hilo, de ahí la importancia de distinguir la
funcionalidad dentro del sistema operativo de cada uno. Los procesos
en general se pueden definir como programas en ejecución, los cuales
se caracterizan por poseer los siguientes dos puntos mencionados a
continuación:
• Propiedad de recursos: los procesos están compuestos de espacio de direcciones virtuales para manejar la imagen de estos,
la cual hace referencia al conjunto de programa, datos, pila y
atributos que se han definido en el bloque de control de proceso, de tal forma que se le pueden asignar control o propiedad
de recursos como memoria principal, canales de entrada y salida , dispositivos de entrada y salida y archivos. Dado que existe
la posibilidad de interferencias entre los recursos y los procesos el sistema operativos es asignado a proteger y evitar dicho
inconveniente.
• Planificación y ejecución: por medio de una o más programas
es que se lleva a cabo la ejecución de un proceso que sigue
una determinada ruta. En cuanto a lo anterior cabe mencionar
que se puede llevar a cabo la intercalación de varios procesos,
de manera tal que el proceso posee un estado de ejecución y
una prioridad de activación que es planificada y activada por el
sistema operativo.
Dadas las características mencionadas anteriormente, es como se conforma en esencia un proceso en los sistemas operativos tradicionales,
no obstante en los sistemas operativos modernos tales características
son vistas y tratadas independiente. Tal es el punto que para distinguir entre una y otra características se le denomina hilo o proceso
ligero(“thread”) a la unidad que se activa, y proceso o tarea a la unidad
de propiedad de recursos. Por tanto, se pueden definir los hilos como
la unidad básica de utilización del CPU, el cual contiene su propio
“program counter”, conjunto de registros, espacio para el stack y pri-
18
Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
oridad, compartiendo el código, los datos y los recursos con los hilos
pares.
3.7 Multihilos
Además de lo mencionado previamente, el sistema operativo se encarga de brindar soporte a múltiples hilos de ejecución en un solo
proceso, modelo al cual se le denomina multihilos, contrario al enfoque tradicional conocido como monohilo, en el cual existe un solo
hilo por proceso.
Por un lado, el modelo monohilo está compuesto por un bloque de
control de proceso, espacio de direcciones de usuario, pilas de usuario
y un núcleo para administrar las diversas llamadas o retornos en la
ejecución de los procesos, y por otro lado el modelo multihilo está
compuesto de igual forma de un bloque de control de proceso y un
espacio de direcciones de usuario asociados al proceso, pero diferenciándose del modelo monohilo en que posee pilas separadas para cada
hilo y un bloque de control para cada hilo manteniendo datos como
los valores de los registros, la prioridad y el estado de los mismos. Es
decir, todos los hilos de un proceso comparten el estado y los recursos de este, residiendo en el mismo espacio de direcciones y teniendo
acceso a los mismos datos.
3.7.1 Beneficios
Algunos de los beneficios de implementar y utilizar hilos en los sistemas operativos son los siguientes:
• El tiempo invertido en crear un hilo en un proceso existente
es mucho menor que el utilizado para crear un proceso nuevo.
Según estudios realizados por los creadores de Mach crear un
hilo es dies veces más rápido que crear un proceso en UNIX.
• Finalizar un proceso es más rápido que finalizar un proceso.
3.7. Multihilos
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Cambiar entre dos hilos dentro del mismo proceso utiliza
menos tiempo.
• La eficiencia de la comunicación entre diferentes programas en
ejecución se ven mejorados, ya que la comuncación entre procesos requiere del núcleo para que este gestione la protección
y la comunicación adecuada, mientras que en este enfoque el
núcleo no es necesario invocarlo debido a que los hilos están
dentro del mismo proceso compartiendo recursos.
La siguiente imagen muestra las diferencias en la composición de un
modelo monohilo, contrario al modelo multihilo:
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.8 Hilos de Nivel de Usuario y de Nivel
de Núcleo
Una vez definidos y mostrados conceptos esenciales con respecto a
los procesos e hilos en los sistemas operativos, se presenta la distinción de hilos nivel kernel en comparación con los hilos nivel
de usuario, para un mayor entendimiento posteriormente en la presentación de los modelos multihilos.
3.8.1 Hilos Nivel de Usuario
En este tipo de entorno(ULT) la aplicación se encarga de todo el trabajo de los hilos, de manera tal que el núcleo no tiene conocimiento
de la existencia de los mismos. La biblioteca de subprocesos contiene el código necesario para la creación y destrucción de hilos, la
comunicación entre estos por medio del paso de mensajes y datos, la
planificación de la ejecución de los mismos, y el almacenamiento y
restauración del contexto del hilo programado. Por defecto, una aplicación inicia con un solo hilo, de tal manera que se ejecuta en este.
Toda la actividad que se lleva a cabo tendrá efecto en el espacio de
usuario y dentro de un solo proceso, de manera tal que el núcleo planifica el proceso como una unidad, asignándole un único estado al no
estar consciente de esto.
3.8.2 Hilos Nivel de Núcleo
En este ambiente (KLT) el núcleo administra todo el trabajo concerniente a los hilos, de forma tal que la aplicación no posee código
para gestionar los hilos, solamente existe una interfaz de programación de aplicación conocida como API , para acceder a las diferentes funcionalidades de los hilos del núcleo. Cualquier aplicación
puede implementarse haciendo uso de los multihilos. Todos los hilos
de una aplicación se alojan en un único proceso, de forma tal que se
mantiene información del contexto del mismo y de los hilos individuales de este, llevándose a cabo la planificación a nivel de hilo.
3.8. Hilos de Nivel de Usuario y de Nivel de Núcleo
21
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.8.3 Hilos a Nivel de Usuario vrs a Nivel de Núcleo
Algunas ventajas presentes al utilizar hilos a nivel de usuario en lugar
de hilos a nivel de núcleo son las siguientes:
• No se requiere de privilegios de modo núcleo para cambiar hilos, debido a que toda la estructura de datos de administración
de hilos están en el espacio de direcciones de usuario de un solo
proceso, es decir el proceso no se cambia a modo núcleo para
administrar los hilos, ahorrando sobrecargas con esto.
• Las aplicaciones pueden encargarsen de establecer la planificación, de acuerdo a la necesidades que posean.
• Pueden ejecutarse en cualquier sistema operativo.
3.8.4 Desventajas del Nivel de Usuario en comparación al Nivel de Núcleo
Las siguientes son algunas de las desventajas presentes al usar el nivel
de usuario en lugar del nivel de núcleo:
• Las llamadas al sistema son bloqueantes en muchos sistemas
operativos tradicionales, de forma tal que si un hilo se bloquea,
se bloquean también todos los hilos del proceso.
• En un enfoque de nivel de usuario, una aplicación multihilo no
puede aprovechar la ventaja del multiprocesamiento.
3.9 Modelos Multihilos
Los siguientes modelos hacen referencia a las diferentes formas en
que se pueden presentar la implementación de los hilos:
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.9.1 Modelo de uno a uno
En este tipo de modelo se asigna un hilo de usuario a un hilo de núcleo. Es decir, cada hilo de ejecución es un único proceso con su propio espacio de direccionesy recursos. Mediante este modelo la concurrencia es mayor, ya que si un hilo realiza una llamada bloqueante
los demás hilos siguen ejecutándose. De esta forma se permite la ejecución de múltiples hilos en paralelo sobre varios procesadores. La
desventaja del uso de este modelo radica en que la creación de cada
hilo de usuario necesita la correspondiente creación de un hilo de núcleo. La implementación de este modelo se ve limitado en el número
de hilos soportados en el sistema, debido a la carga que puede significar la creación de estos en la eficiencia del mismo. Algunos ejemplos de sistemas operativos que implementan este tipo de modelo son
las implementaciones UNIX tradicionales, así como Windows (desde
Windows95/98 hasta Windows 2000/XP).
3.9. Modelos Multihilos
23
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.9.2 Modelo de Muchos a Uno
Este enfoque de modelo asigna múltiples hilos de nivel de usuario a
un hilo de nivel de núcleo. La administración concerniente de los hilos se lleva a cabo mediante la biblioteca de hilos en el espacio de
usuario. El espacio de direcciones, así como la pertenencia dinámica
de recursos es definida por un proceso, de modo tal que se pueden
crear y ejecutar varios hilos en este. No obstante, solo un hilo a la
vez puede acceder al núcleo, de forma tal que no se pueden ejecutar paralelamente varios hilos. El proceso completo se bloquea si un
hilo que pertenece a este realiza una llamada bloqueante al sistema.
Algunos de los sistemas operativos que hacen uso de este tipo de en
modelo son Windows NT, OS/390, Solaris, Linux, OS/2 y MACH.
3.9.3 Modelo de Uno a Muchos
La migración de un entorno de proceso a otro se lleva a cabo mediante este tipo de modelo, permitiendo con ello a los hilos moverse
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
fácilmente entre los diferentes sistemas. Este tipo de entorno es de
interés en los sistemas operativos distribuidos por la visualización de
hilo como una entidad que puede movilizarse entre diferentes espacios de direcciones. Desde el punto de vista de usuario el hilo es una
unidad de actividad y el proceso es un espacio de direcciones virtuales
con el bloque de control de proceso asociado debidamente. Los hilos
pueden movilizarse de un espacio de direcciones a otro, incluso de un
computador a otro, para ello debe mantener consigo información tal
como el control de terminal, parámetros globales y las guías de planificación. Algunos de los sistemas operativos que utilizan este tipo de
modelo son Ra (Clouds), Emerald.
3.9.4 Modelo de Muchos a Muchos
Combinación de los modelos de Muchos a Uno y Uno a Muchos. Con
este enfoque se multiplexan varios hilos de nivel de usuario de sobre
un número de hilos, el cual es menor o igual a la cantidad de hilos
de kernel. La cantidad de hilos de núcleo puede ser específica de un
3.9. Modelos Multihilos
25
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
equipo o aplicación determinada. Este modelo permite la creación
de hilos, siendo la cantidad de esta ilimitada ya que va de acuerdo a
las necesidades existentes. Si se produce una llamada bloqueante al
sistema por parte de un hilo, el núcleo puede planificar otro hilo para
su ejecución. Con esto es posible ejecutar una actividad de un usuario
o aplicación en múltiples dominios. Un ejemplo de sistema operativo
que utiliza este enfoque es TRIX.
3.10 Hilos
Los hilos en computación, son los que permiten que un programa realize acciones secuenciales. Los programas que solo poseen un hilo
de ejecución son programas secuenciales, ya que las acciones que realizan se ejecutan de manera secuencial, una detrás de otra. El “The
Open Journal Proyect” define los hilos como: ”...un único flujo secuencial de control dentro de un programa.”, que hace una referencial
26
Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
secuencialidad de los flujos de datos, que estos posee un principio,
una ejecución y un final, todos ejecutados de manera secuencial.
Durante la ejecución de un programa pequeño, la apreciación de los
hilos es mínima ya que un programa que ejecute un “Hola Mundo!”,
no necesita mas que un hilo de ejecución, pero el mismo programa
puede imprimir mas de una vez un “Hola Mundo!”, utilizando dos
o mas hilos de ejecución, de esta manera se pueden crear diversas
impresiones del “Hola Mundo!” realizadas por diferentes hilos de
ejecución. No solo en programas sencillos como un “Hola Mundo!”,
se ve los hilos. Un ejemplo común son los navegadores web, en un
navegador se pueden tener multiples pestañas abiertas, una con un
video musical en Youtube, otra con la pagina de la red social, y otras
tres con la investigación de la tarea. Este es un claro ejemplo de como
los hilos muestran las posibilidades de sus usos.
La implementación de los hilos se observa de manera diferente según
el ambiente, mas adelante se profundizara en cada uno de ellos, el
ambiente windows utiliza su API Win32 con la funciones para la
3.10. Hilos
27
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
creación, manipulación y ejecución de hilos; por otro lado UNIX
tiene el POSIX del acrónimo de Portable Operating System Interface, donde la X es de UNIX, donde de igual manera tiene sus funciones predefinidas para los los hilos. Java utiliza la clase Thread que
forma parte de su maquina virtual donde se define la especificación
del manejo de los hilos, esta en particular suele ser la mas utilizada
para la enseñanza de los hilos.
3.11 POSIX
Posix es una librería con la definición de las funciones del manejo
de los hilos para UNIX, como se vio anteriormente POSIX significa
Portable Operating System Interface, donde la X es de UNIX. La librería POSIX contiene los estándares de manejo de hilos, esta API esta
para C/C++, la “Carnegie MellonUniversity” dice: “Es más eficaz
en sistemas de varios procesadores o varios núcleos donde el flujo de
proceso puede ser programado para funcionar en otro procesador así
28
Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ganando velocidad a través de procesamiento distribuido o paralelo”.
Es claro que los hilos de ejecución que aprovechen la velocidad de
procesamiento de los diferentes núcleo de los procesadores aumente
de manera considera el rendimiento del program, un puede ser una
operación aritmética, donde cada parte de la operación se resuelva
con hilo de ejecución, y cada hilo asignado a un núcleo de procesamiento , claramente puede lograr un mayor rendimiento, aunque el
proceso de programación ser un poco tedioso los resultados pueden
ser sorprendentes.
Una de las ventajas de la programación en multiprocesadores según la
CMU(Carnegie MellonUniversity), es la latencia o la espera, esta se
de cuando un hilo se tiene que ejecutar mientras otro hilo se ejecuta
y este espera una entrada o salida, la latencia no solo se da a nivel
de hilos si también a nivel de entrada y salida. Este tipo de espera es
común en los procesadores de un solo núcleo, de ahi una gran diferencia con los procesadores multinúcleo ya que la entrada o salida puede
venir de otro núcleo del procesadores reduciendo la latencia a 0.
3.11. POSIX
29
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
En la librería de POSIX encontramos diferentes funciones esta son
una mencionadas por Carnegie MellonUniversity:, cabe rescatar que
la librería tiene muchas funciones y se recomienda revisar la documentación de la API de POSIX, estos son solo algunos ejemplos:
• pthread_create: Esta es la función para la creación de los hilos
(Pthreads).
• pthread_detach: Cambia el estado de un hila a detached (separado).
• pthread_equal: Comparar los identificadores de 2 hilos.
• pthread_exit: Termina la llamada a un hilo.
• pthread_getspecific: Gestiona los datos de un hilo en especifico.
• pthread_join: Espera la terminación de otro hilo.
• pthread_key_create: Gestiona los datos de un hilo en especifico.
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Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• pthread_kill_other_threads_np: Termina todos los hilos en ejecución excepto la llamada al hilo,
• pthread_kill [ pthread_sigmask ]: Maneja las señales a los hilos.
3.12 Hilos Java
Los hilos de ejecución en java provienen de la clase Thread, para la
creación de los hilos en java es necesario crear un nuevo objeto de tipo
Thread. La clase Thread viene en la librería de la Maquina Virtual de
Java (JVM). Cuando se crean hilos en java estos pueden tener un alto
o bajo nivel de prioridad, los hilos de alta prioridad se ejecutan con
preferencia sobre los de baja prioridad. La prioridad de los hilos es
definida cuando se crean, y esta es heredada de su hilo creador, y es
un hilo daemon si y sólo si el hilo creador es un daemon. Los hilos
tipo daemon o hilos de utilidad son hilos que proveen servicios a otros
hilos. La vida de los hilos tipo daemon dependen de la de los hilos de
usuarios, cuando mueren todos los hilos de usuarios los hilos daemon
tambien mueren, esta es la definición de segun JavaTpoint.
Al inicio de la maquina virtual de java, se crea un único hilo nodaemon, que típicamente llama el método main de alguna clase. La
máquina virtual de java solo detiene los hilos de ejecución cuando
ocurre alguna de las siguientes acciones:
• Cuando el método exit es llama de la clase Runtime y el manejador de seguridad permite que la operación exit pueda ser ejecutada.
• Cuando todos los hilos de tipo no-daemon mueren, por una devolución de la llama del método de ejecución o por el lanzamiento de un excepción que vaya mas allá del método de ejecución.
De igual forma existen 2 métodos para la creación de hilos en Java:
• Declarando una clase como subclase de la clase Thread. Esta
subclase debe anular el método run de la clase Thread. Se ubica
3.12. Hilos Java
31
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
una instancia de la subclase para iniciar un hilo.
• La otra forma es declarando una clase que implemente la interfaz Runnable. Posteriormente dicha clase implementará el
método run. Se instanciará la clase asignando los argumentos
cuando se cree el hilo y se indica.
La pagina de Oracle nos proporciona un ejemplo de la creación de
hilos, con una clase PrimeThread que hereda de la clase Thread:
class PrimeThread extends Thread {
long minPrime;
PrimeThread(long minPrime) {
this.minPrime = minPrime;
}
public void run() {
// compute primes larger than minPrime
. . .
}
}
Posteriormente para crear el hilo se crea la instancias a PrimeThread:
PrimeThread p = new PrimeThread(143);
p.start();
3.13 Hilos Windows
Los hilos de Windows utilizan la API Win32, esta API de Windows
utiliza la función de CreateThread para la creación de hilos, esta
función recibe una serie de parámetro como atributos de seguridad,
tamaño, rutina de inicio, entre otros. Una vez creado el hilo la función
devolverá el manejador del nuevo hilo, en caso de error la devolución
de la función CreateThread seria NULL.
The Computer Science Department at RPI nos facilita una pequeña
guía para la creacion de hilos en Windows.
32
Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
HANDLE CreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,// este puntero señala l
DWORD dwStackSize,// Tamaño inicial del tamaño de la pila del h
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,// puntero a la funcion d
LPVOID lpParameter,// Argumentos del nuevo hilo
DWORD dwCreationFlags, // Creacion de banderas
LPDWORD lpThreadId // Puntero que recive el ID del hilo
);
Entre las limitaciones presentes en los hilos de Windows, esta la cantidad de hilo que puede crear un proceso, ya que estos estarán limitados por la cantidad de memoria virtual que se encuentre disponible.
La cantidad pre-establecida es de un megabyte de espacio en la pila.
Los que nos muestra que la cantidad maxima de hilos son 2048 por
defecto,esta cantidad puede aumentar, si se reduce la cantidad de espacio de pila para cada hilo. Una recomendación para el buen funcionamiento de una aplicación es crear un hilo de ejecución por proceso y también crear una cola de solicitudes, de esta manera se puede
mantener el contexto de la información.
La de controlador de un hilo se puede arreglar con el derecho de
THREADALL_ACCESS_, este llama un descriptor de seguridad este
se crear para el nuevo hilo, utilizando un token primario para le proceso. Cuando se llama el OpenThreat el token evalúa los derechos,
para darle o no permiso de acceso al hilos de ejecución.
Para terminar los hilos en windows se utiliza la función ExitThread,
esta función utiliza el parámetro de lpStartAddress que se define al
crear el hilos, para solicitar este ato se utiliza la función GetExitCodeThread, la cual nos proporciona la DWORD, que se utilizar como
parámetro de ExitThread.
Cuando el hilos es terminado este cambia su estado a Señalado, el
cual avisa a los otros hilos en espera por el objeto.
3.13. Hilos Windows
33
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.14 POSIX vs Windows
La comparación entre ambos se da por el uso del mismo lenguaje de
programación C/C++, gracias a la utilización del mismo lenguaje se
puede apreciar los diferentes métodos de programación para resolver
problemas similares.. Intel nos proporciona algunas comparaciones
entre las dos librerías, en su pagina de internet. En general se aprecia
que el un mejor modelo en el API de Windows, pero se mostraran
diferentes características de comparación:
• Simplicidad de los tipos de datos: Los hilos de POSIX y
Windows discrepan muchos en sus tipo por un lado los hilos en POSIX permiten diversos tipos de datos pthread_t,
pthread_mutex_t, pthread_cond_t, entre otros; por otro lado,
los hilos de Windows tienen un único tipo de hilo HANDLE.
Uno los problemas que se pueden apreciar es la dificultad de
lectura para los usuarios nuevos en POSIX, esto se debe a que
cada tipo de hilo posee diferentes tipos de de parámetros, utilidades y funciones. Los hilos de Windows al ser todos de un
mismo tipo pueden provocar largos tiempo de espera, como
cuando algún objeto como una lista es compartida por 2 hilos
diferentes. en POSIX este caso no se de por la diferencia de los
tipos de hilos.
• Persistencia a Señales: Uno de lo problemas mas comunes en
el ambiente POSIX, es cuando un hilo señala un estado variable
y ningún otro hilo lo esta señalando, el problema recae en que
la señal se pierde si no hay ningún hilo en espera de la condición variable. La Win32 da a un hilo un estado, y este estado
se mantiene, y su estado no cambia hasta que algún otro hilo
lo mande. Esta situación se da gracias al hecho que Windows
establece que todo cambio de estado se debe realizar manualmente, para evitar estos tipos de conflictos.
34
Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
3.15 Glosario
• Hilo: Subproceso, que ejecuta diversas acciones.
• Latencia: Tiempo de espera entre hilos.
• POSIX: Del ingles Operating System Interface uniX, interfaz
del sistema operativo UNIX.
• Pthread: Nominación a los hilos de la librería POSIX.
• API: Por sus siglas en inglés se define como Application Programming Interface, el cual hace referencia al conjunto de subrutinas, funciones y procedimientos (o métodos, en la programación orientada a objetos) que ofrece cierta biblioteca para ser
utilizado por otro software como una capa de abstracción.
• Dominio: Entidad estática, que consiste en un espacio de direcciones y puertos a través de los cuales se pueden enviar y
recibir mensajes.
• Hilo: Ruta de ejecución, con una pila de ejecución, estado del
procesador e información de planificación.
• KLT: Por sus siglas en inglés se define como Kernel-Level
Threads, el cual hace referencia a los hilos de nivel de núcleo .
• ULT: Por sus siglas en inglés se define como User-Level
Threads, el cual hace referencia a los hilos de nivel de usuario.
• BCP: bloque de control de proceso, guarda información sobre
el estado de los registros.
• Grado de multiprogramación: variable que mide la cantidad de
procesos activos.
• Imagen de memoria: contiene el código y los datos de un proceso.
• Proceso: programa en ejecución.
• Proceso Ligero: thread ó hilo.
• Proceso Nulo: bucle infinito sin ningún fin práctico.
3.15. Glosario
35
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Programa: órdenes que ejecuta una máquina.
3.16 Notas bibliográficas
• Perez, J. C. (2001). Sistemas operativos - una vision aplicada.
Mcgraw Hill.
• Silverschatz, A. (2006). Fundamentos de sistemas operativos.
McGraw Hill.
• López, M. (2012). Sistemas operativos. Andavira Editora.
• Tanenbaum, A. (2009). Sistemas operativos modernos. Prentice Hill.
• Burgess,M. (2001). A short introduction to operating systems
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S.A.
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• Stall, W. (2005). Sistemas operativos Aspectos internos y principios de diseño (5a Edición ed.) Madrid: Pearson Educación.
36
Chapter 3. Procesos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
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Edición ed.) México: Prentice Hall.
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• JavaTpoint (s. f.). Daemon Thread in Java - javatpoint
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Better Than POSIX Threads | Intel® Developer Zone Recuperado el 23 de Abril del 2015, de https://software.intel.com/enus/blogs/2006/10/19/why-windows-threads-are-better-thanposix-threads
• Butenhof, D. (1997, 26 de Mayo). Programming with POSIX
Threads.
3.16. Notas bibliográficas
37
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
38
Chapter 3. Procesos
CHAPTER 4
Administración de memoria
Recopilado por: Carolina Gonzalez Vargas, Rubén Mora Meneses y
Esteban Ramírez Quirós.
4.1 Fundamentos
La memoria o memoria principal puede ser considerada como una
matriz de bytes, cada uno con una dirección. El administrador de
memoria es parte del sistema operativo que regula el uso o liberación
de la memoria. Una instrucción es una orden que se le da a la computadora para que ejecute una operación. Un proceso es una secuencia
de instrucciones que forman parte de un programa en ejecución.
La memoria es un recurso necesario en todo sistema informático y
por eso debe ser gestionado con cuidado, esta operación la ejecuta
el administrador de memoria o Memory Manager. El administrador
de memoria está encargado de asignar la memoria que necesita un
proceso, así como liberarla cuando el proceso la haya desocupado.
También debe estar al pendiente de qué secciones de la memoria se
están utilizando y cuáles no, así como debe tener control sobre cuáles
procesos están utilizando la memoria.
Para poder administrar la memoria es necesario poder acceder a ella
39
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ya sea para leerla, guardar datos o simplemente reservarla, los bytes
de la memoria pueden accederse por medio de direcciones, las cuales
pueden ser representadas de diferentes maneras. En un programa
fuente se utilizan direcciones simbólicas, que más adelante representan direcciones concretas en un programa ejecutable.
En una computadora la memoria principal es un recurso vital para
su funcionamiento ya que no solo los programas pueden modificarla,
sino que también los dispositivos de entrada y salida pueden tener
acceso a ella y modificarla. El procesador de la computadora es el
que debe regular los accesos a a memoria y la velocidad de este para
accederla y modificarla (ya sea para escribir o borrar datos) dependerá
de la eficiencia del computador.
4.1.1 Hardware básico
El direccionamiento de memoria se refiere a cualquier intento de acceder a la memoria ya sea para leerla, escribir en ella o borrar su
contenido, por medio de una dirección.
40
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
Los registros del procesador son espacios pequeños de memoria en
el procesador que se utilizan, entre otras cosas, para que las instrucciones del procesador tomen de ahí los datos que necesitan para procesarlos.
Al desarrollar el hardware de una computadora, se debe definir la
forma en que se va a direccionar la memoria. El máximo direccionamiento que puede tolerar una computadora se define según la
cantidad de bits que posean las direcciones a generar, si se toma ése
número de bits como exponente de 2 se puede obtener el máximo direccionamiento posible, lo que quiere decir que aunque el computador
disponga de más memoria, será imposible accederla, por ejemplo, si
se tienen direcciones de 8 bits, solo se podrá acceder hasta 256 bits
de memoria. Cuando se define el hardware, también se especifica la
menor unidad de memoria direccionable, es decir se escoge una cantidad mínima de bits a direccionar, lo que implica que las siguientes
posiciones en memoria tendrán ese tamaño.
Por otra parte, la memoria principal y los registros del procesador son
las únicas secciones que pueden ser accesadas directamente, e incluso
muchas de las instrucciones de la máquina toman como parámetro el
contenido de los registros ya mencionados, pero no hay instrucciones
que acepten direcciones de la memoria en disco, lo que implica que
si se necesitan datos de la memoria en disco, deben copiarse en los
registros o en memoria principal para poder ser utilizados. Es decir
que, para poder ejecutar un proceso, es necesario asegurarse de que
este posea un espacio en memoria exclusivo para su uso y el rango
legal de direcciones de memoria disponibles, esto se hace por medio
del almacenamiento de un registro base y un registro límite. El registro base guarda la primera dirección en memoria que corresponde
a ese proceso, mientras que el registro límite muestra el rango máximo de memoria que necesita el proceso, por ejemplo, si el registro
base equivale a la posición 2000 en memoria y el registro límite tiene
un valor de 500, el proceso ocupa un espacio en memoria desde la
dirección 2000 hasta la 2500.
Es posible proteger el espacio en memoria para cada proceso, esto
se logra haciendo que el CPU compare las direcciones generadas en
modo usuario con el contenido de los registros a los que se desea
4.1. Fundamentos
41
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
acceder y en cualquier intento de acceder a direcciones que no le correspondan, generar un error fatal.
4.1.2 Reasignación de direcciones
La memoria usualmente aloja varios procesos al mismo tiempo y, de
hecho, se busca maximizar el uso del procesador teniendo una reserva
de procesos a ejecutar, esta lista se llama cola de procesos.
Como el programador no sabe cuáles otros procesos van a estar en
memoria al mismo tiempo que el proceso que desea ejecutar, es necesario mover el programa a otra área de memoria en caso de ser necesario, es decir, si se necesita el espacio de memoria que está utilizando
ese proceso, el sistema operativo debe ser capaz de mover el proceso,
ejecutar otro y volver a cargar el proceso anterior justo en la instrucción en que había quedado antes de que fuera interrumpido.
Habitualmente se selecciona uno de los procesos de la cola de procesos, este se carga en memoria y luego es ejecutado, cuando este
42
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
termina, el espacio de memoria en el que fue cargado, se declara libre para ser utilizado por otro proceso. Para hacer esto, el editor de
montaje o cargador se encarga de asignar las nuevas direcciones del
proceso que se está cargando en memoria y una vez asignadas las
nuevas direcciones, poder ejecutar el proceso.
La reasignación de instrucciones y datos en memoria puede hacerse
en cualquiera de las siguientes etapas:
• Tiempo de compilación: solamente si se sabe con certeza en
dónde va a ser almacenado el programa cuando este sea compilado, se pueden generar direcciones absolutas ya que no va a
haber ningún inconveniente con el acceso a la memoria.
• Tiempo de carga: si no se sabe a dónde se alojará el proceso
cuando este sea compilado, las direcciones deben ser reubicables, de modo que la asignación de direcciones se retrasa hasta
cuando el proceso necesita ser cargado en memoria.
• Tiempo de ejecución:Si no hubiese problema con retrasar la
4.1. Fundamentos
43
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
reasignación de direcciones hasta el tiempo de ejecución, es
recomendable hacerlo, pero para esto se necesita de un hardware especial, sin embargo, la mayoría de sistemas operativos
de propósito general utilizan este método.
4.1.3 Espacios de direcciones lógico y físico
Una dirección lógica o dirección virtual es una dirección generada
por el CPU, mientras que una dirección física es una dirección de la
unidad de memoria. Las direcciones lógicas que son generadas por
un programa son llamadas, como conjunto, espacio de direcciones
lógicas, estas generan también el espacio de direcciones físicas, el
cual el conjunto de las direcciones físicas homólogas a las direcciones
lógicas.
Se tienen también la unidad de gestión de memoria (MMU o memorymanagement unit)la cual es una parte del hardware que hace la equivalencia entre las direcciones virtuales y físicas en tiempo de ejecución.
44
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
También se cuenta con el registro de ubicación, el cual es un sinónimo
para el registro base, el cual suma todas las direcciones generadas por
un proceso de usuario cuando se está cargando el proceso en memoria.
La memoria de una computadora se organiza en por lo menos dos
niveles: principal y secundaria. La memoria principal proporciona un
acceso rápido a esta pero el costo es elevado, también es volátil, es
decir, su almacenamiento de información no es permanente. Por otra
parte, la memoria secundaria, se organiza de una manera similar a la
memoria principal sin embargo es lenta, barata y no volátil, lo que
permite almacenar información por mucho tiempo, ya sean programas, datos o ambos.
Si el sistema operativo puede administrar de forma correcta y efectiva
las memorias disponibles, es capaz de proveer las siguientes ventajas:
• Los módulos pueden compilarse y escribirse de forma independiente.
• Se puede dar varios grados de protección de datos.
• Los procesos podrían compartir módulos.
4.1.4 Carga dinámica
La carga dinámica consiste en cargar las rutinas hasta que sean invocadas, es decir, no se cargan hasta que se necesitan y todas las rutinas se mantienen en un disco en un formato reubicable y también se
aplaza el cálculo de direcciones. Cuando una rutina en un proceso
necesita convocar a otra, primero revisa si ya está cargada, de lo contrario la busca y la carga en memoria para su uso con el cargador de
memoria, esto implica la actualización de las tablas de direcciones del
programa para dar evidencia del cambio generado al cargar la rutina.
Esto proporciona como ventaja que si una rutina no se necesita en
tiempo de ejecución, nunca será cargada en memoria, por lo tanto
ahorrará memoria y resulta útil si se necesita disponer de mucho
código para administrar casos poco frecuentes.
4.1. Fundamentos
45
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
4.1.5 Montaje dinámico y bibliotecas compartidas
Para poder comprender el montaje dinámico es importante definir el
montaje estático y montaje binario.
El montaje estático se da cuando las bibliotecas del lenguaje utilizado
en el sistema son tomadas como un módulo y son integradas en el
programa. Por otra parte el montaje binario se da cuando se pospone
hasta el tiempo de ejecución el montaje del programa. Sin embargo el
montaje dinámico ocurre cuando en el fragmento de código se incluye
un stud, una pieza de código que indica cómo encontrar o agregar la
rutina deseada en la imagen binaria.
Es decir, el montaje dinámico retrasa el montaje de los módulos externos hasta que el módulo de carga haya terminado de crearse.
Algunos sistemas operativos no permiten el montaje dinámico, sino
que solamente el estático.
46
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
4.2 Intercambio
Normalmente en los sistemas actuales, tener recursos ociosos o sin
utilizar, es considerado un desperdicio de ellos, esto incluye a la
memoria, los sistemas de la actualidad suele mantener ocupada un
gran porcentaje de ella, esto puede ocasionar situaciones donde no
haya suficiente memoria disponible para un proceso que requiere ser
ejecutado.
Una de las soluciones ante este problema es el intercambio de procesos, esto consiste en intercambiar temporalmente un proceso que
esta en memoria con uno que se encuentre en la cola de procesos,
guardando en un almacén de respaldo el proceso que se encuentra en
memoria, y volviéndolo a llevar luego a memoria para continuar su
ejecución.[1]
Para poder realizar esto, es necesario una cola de procesos, como se
mencionó anteriormente. Por ello, el sistema mantiene esta cola de
procesos donde se encuentran todos los procesos que estén listos para
4.2. Intercambio
47
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ser ejecutados, tanto los que se encuentran en el almacén de respaldo
como los que se van a ejecutar por primera vez.[1]
Este proceso de intercambio tiene un costo de tiempo relativamente
alto, del cual la mayor parte del tiempo es tiempo de transferencia,
el cual es directamente proporcional a la cantidad de memoria intercambiada. Por ello la duración de este proceso de intercambio es
proporcional al tamaño del proceso a intercambiar.
Para esta operación sea realmente útil, el tiempo de ejecución del proceso que ingresa en memoria debe ser lo suficientemente grande en
relación con el costo del tiempo de intercambio, para que este pueda
realizar una cantidad de cálculos lo suficientemente grande entre una
operación de intercambio y la siguiente.
Normalmente cuando un proceso almacenado, vuelve a ser cargado,
este se volverá a cargar en el mismo espacio de memoria que ocupó
anteriormente. Esta restricción es impuesta por el método de reasignación de las direcciones. [1]
Pero este proceso de intercambio, no se puede realizar con cualquier
proceso que se encuentre en memoria, para poder realizar esto, los
procesos deben estar completamente inactivos. por ejemplo si el proceso no podrá ser intercambiado si se está accediendo a donde residen
los buffers de E/S en la memoria. ya que aunque el proceso parezca
inactivo, realmente no lo está.
Existen ciertas mejoras que se le pueden realizar a este mecanismo,
como la utilización de un doble buffer que permita cargar o descargar
un proceso mientras otro se encuentra en ejecución; o combinar la
técnica con el uso de registros base y límite, para mantener varios
procesos simultáneamente en memoria.
También este mecanismo se puede implementar en conjunto con algoritmos de planificación con prioridad. Esto consiste es que si llega
un proceso de mayor prioridad y este necesita ser ejecutado, el administrador de memoria puede intercambiarlo por un proceso inactivo de menor prioridad. Cuando el proceso de mayor prioridad haya
terminado, puede intercambiarse de nuevo por el proceso de menor
prioridad.[1]
48
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
En la actualidad, aunque en muchas versiones de UNIX se utiliza una
variante de este sistema, el intercambio está normalmente desactivado, por ello en realidad estos mecanismos de intercambio se utilizan
en pocos sistemas, ya que en general requieren el costo en tiempo de
este mecanismo es muy alto y no logran proporcionar tiempos de ejecución suficientemente largos como para realizar una compensación
favorable y que haga de esto una solución razonable de gestión de
memoria.
4.3 Asignación de memoria contigua
Como todo proceso que necesite ser ejecutado estar albergado en
memoria, esta debe albergar tanto el sistema operativo como los diversos procesos que ejecute el usuario.
Normalmente ambos, el sistema operativo como el espacio del
usuario, no comparten el mismo espacio por eso usualmente la memoria esta dividida en 2 particiones, una para el sistema operativo y otra
para los procesos que desee ejecutar el usuario. [1]
4.4 Mapeo de memoria y protección
Como los sistemas no utilizan direcciones predefinidas como puede
ser direcciones físicas de memoria, sino que utilizan las direcciones
absolutas de un programa, las cuales son imposibles de calcular en
tiempo de compilación porque no se conoce la ubicación del programa, por lo que no se puede asegurar una protección a la memoria.
[2]
El registro de ubicación, o bien el registro base ilustra la posición inicial del programa, mientras que el registro límite guarda la cantidad
de memoria que necesita el programa, por lo que el registro límite no
corresponde a una dirección de memoria como tal, sino a un desplazamiento desde el registro de reubicación. [1]
4.3. Asignación de memoria contigua
49
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
Una dirección lógica señala una posición en memoria que no depende
de la asignación de memoria que se le ha dado al proceso. Toda dirección lógica tiene que ser menor que el valor que contiene el registro
límite, se convertirá la dirección lógica dinámicamente con la MMU,
esto se logra sumando el valor del registro base, esta nueva dirección
es la que se envía a memoria.
Una dirección relativa se representa como un desplazamiento desde
una posición en memoria conocida, usualmente es del inicio del programa, pero bien podría ser una dirección posterior. Las direcciones
relativas necesitan pasar por dos etapas en las cuales el procesador las
manipula. La primera agrega el valor del registro base a la dirección
relativa de modo que se obtiene una dirección absoluta para el programa. Seguidamente, la nueva dirección es comparada con el valor
del registro límite, si esta se encuentra dentro de los límites, se procesa
ejecutando la instrucción correspondiente, pero si no, se interrumpe
el sistema generando un error.[2]
Para asegurar la integridad, seguridad y protección del sistema las
50
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
referencias a memoria que son hechas con un proceso deben ser validadas para estar seguros de que solamente referencian el espacio de
memoria que está reservado para el proceso.
Un proceso que es seleccionado por el planificador del CPU para ser
ejecutado, los valores correctos de los registros de límite y reubicación son cargados por el despachador como parte de un cambio de
contexto. Este mecanismo protege el sistema ya que las direcciones
generadas por el CPU se comparan con los registros con ello se asegura que no se accedan a regiones de memorias no correspondientes
al proceso.[1]
4.5 Asignación de memoria
Las estructuras de datos son necesarias para que el sistema operativo
sea capaz de administrar apropiadamente las particiones en memoria,
por ejemplo, una tabla de descripción de particiones en la que se registre cuáles procesos están alojados en cada partición, así como dónde
comienza y dónde termina. Los huecos en memoria que queden libres
serán usados para administrar el espacio disponible.[3]
Al dividir la memoria en particiones de tamaño fijo, se logra un
método simple para asignar la memoria. Cada sección solamente
puede contener un proceso porque la multiprogramación está limitada
por la cantidad de particiones que no alojan ningún proceso. Aparte
de esto, las particiones fijas también fuerzan al sistema a mantener
una tabla que indique qué partes de la memoria están libres para que
otros procesos la utilicen y cuáles están ocupadas.
Actualmente los sistemas operativos modernos no utilizan el esquema de particiones fijas, sin embargo, los sistemas operativos de
los grandes computadores de IBM, el OS/MFT, o bien Multiprogramación con un número fijo de tareas, es un buen ejemplo de un sistema operativo eficiente que utiliza este esquema. [2]
Las particiones múltiples funcionan cuando una partición está libre,
seguidamente se escoge un proceso de la cola de entrada y es cargado
4.5. Asignación de memoria
51
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
en esa partición. Al terminar el proceso, la sección queda disponible
para ser ocupada por otro proceso.
El hecho de distribuir la memoria disponible en particiones de
tamaños distintos de memoria, aumenta la flexibilidad de la repartición de memoria. Además de esto, la partición dinámica provee un
esquema por medio del cual el número y longitud de las particiones
son variables. Al traer un proceso a la memoria principal, este esquema ayuda a que se le asigne únicamente el espacio en memoria
que necesita, ni más, ni menos. [2]
La fragmentación externa se da cuando la memoria externa se fragmenta cada vez más. Cuando un proceso necesita memoria, se busca
un espacio tan grande como para poder alojarlo y si se encuentra, se
le asigna y se mantiene la demás memoria libre para las solicitudes de
los procesos que entrarán en el futuro. [1]
Con forme los procesos entran al sistema, también se ingresan a una
cola. Esta cola de entrada se ordena por el sistema operativo según el
algoritmo de planificación que este posea. Se le asigna memoria a los
procesos hasta que los requisitos del siguiente proceso ya no puedan
satisfacerse. El sistema operativo considera la memoria necesaria para
cada proceso y lo compara con la cantidad de memoria libre para ser
utilizada, de este modo se puede determinar a cuáles procesos se les
va a asignar memoria.
El agujero es un modo de llamar a toda la memoria disponible para los
procesos de usuario cuando esta se considera como un bloque único
que contiene toda la memoria libre para ser utilizada por los procesos
entrantes. En algún momento durante la ejecución de los procesos se
va a tener un conjunto de huecos de memoria de muchos tamaños distribuidos por toda la memoria y cuando llega un proceso nuevo para
ser ejecutado y este solicita memoria, el sistema operativo busca entre
todos esos espacios libres alguno que sea lo suficientemente grande
como para poder alojarlo. [1]
Si el agujero es muy grande, se divide en dos partes, una para el
proceso y la otra se agrega al conjunto de espacios de memoria
disponibles. Caso contrario ocurre si hay agujeros de memoria adyacentes, estos se fusionan para obtener un espacio en memoria más
52
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
grande en lugar de dos pequeños.
El proceso, al terminar, libera la memoria que había utilizado para
poder ejecutarse y esta memoria se volverá a considerar como libre y
se agrega al conjunto de agujeros de memoria.[1]
La asignación dinámica de espacio busca satisfacer las solicitudes de
memoria según la lista de espacios disponibles.
El primer ajuste, se conoce como el método de asignar el primer agujero en memoria que se encuentre que sea lo suficientemente grande
como para alojar el proceso entrante, la exploración de memoria
puede hacerse desde el inicio de la memoria o bien donde terminó la
exploración anterior y la exploración se detiene en cuanto se encuentre un hueco de memoria con la cantidad de memoria igual o superior
al espacio requerido por el proceso. [1]
Como se puede observar en la imagen, el mejor ajuste es un método
de asignación de memoria en que se busca el bloque de memoria
disponible más pequeño pero que tenga espacio suficiente para el pro-
4.5. Asignación de memoria
53
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ceso, pero este método puede generar un agujero de memoria más
pequeño que en los demás métodos. [1]
El peor ajuste asigna el agujero de memoria de mayor tamaño que
encuentre durante la exploración, esto genera un agujero de mayor
tamaño luego de haber asignado el proceso, lo que puede generar un
agujero muy útil. [1]
Los métodos del primer ajuste y mejor ajuste son mejores que el del
peor ajuste en matices como el tiempo necesario y utilización eficiente del espacio. Aunque es indefinido si la estrategia del primer
ajuste o mejor ajuste es mejor en cuestión de utilización del espacio
de almacenamiento, pero la del primer ajuste es más rápida. [1]
Existen otras políticas que generan menos fragmentación de memoria
y de hecho son muy utilizados en los sistemas operativos, por ejemplo
la política de los gemelos (buddies). [3]
En este sistema, el asignador nada más provee de bloques de memoria
de tamaños determinados y tiene muchas listas libres, una para cada
54
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
tamaño que sea capaz de asignar. Los espacios habitualmente se calculan como potencias de dos o según la secuencia de Fibonacci. Si el
repartidor recibe una solicitud de memoria, el tamaño es redondeado
hasta que el tamaño solicitado lo permita y se le asigna el primer
bloque libre con este tamaño. [4]
El reciclaje de bloques implica hacer un intento por mezclar los bloques de memoria adyacentes en un bloque más grande, para simplificar el trabajo, las listas pueden almacenarse en orden de dirección.
Este enfoque provee una ventaja: la coalición es barata porque todo
bloque libre se calcula desde su dirección. [4]
El sistema buddy puede trabajar muy bien, pero también puede trabajar muy mal según sean los tamaños seleccionados para interactuar
con las solicitudes de memoria y según sea el patrón de los bloques.
Redondear implica una cantidad de memoria significativa que se desperdicia, a lo que se le llama fragmentación interna, la cual se puede
reducir haciendo que el tamaño de los bloques sea similar. [4]
4.5. Asignación de memoria
55
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
4.6 Segmentación
La segmentación se puede definir como una técnica en la cual las
tareas y procesos pueden acceder a ellas unitariamente para poder administrar mejor la memoria contigua, facilita la comprensión visual
del programador, es la estructura clave para las pilas, datos y código
para un programa.
Están conformados por un tamaño predefinido, un identificador y un
desplazamiento para acceder a los datos dentro de él, cada dirección
lógica se expresará mediante dos valores, el número de segmento (s)
y desplazamiento dentro del segmento (d), estas características se les
asigna en el proceso de compilación y para accederlos se debe tener
en cuenta que la memoria física se accede literalmente, cada dirección lógica (que proviene del procesador) habrá que convertirla en
una dirección real, que la memoria RAM podrá leer, este cambio lo
realiza un aparato de hardware alojado generalmente en las tarjetas
de memoria principal llamado unidad de gestión de memoria, ya que
posee algunos implementos como la tabla donde vienen numeradas
cada segmento. Además el procesador cuenta con otra tabla que describe:
• Base: Dirección en donde comienza el segmento (contando la
dirección)
• Límite: Dirección en donde finaliza (sin contar la dirección)
• Desplazamiento: Lo que hay que sumar a una dirección para
obtener su dirección real, se calcula como la dirección de
comienzo del segmento en la memoria real menos la dirección
virtual de inicio del segmento
• Atributos del segmento: como lectura/escritura para la seguridad de que otros procesos interfieran en “segmentos ajenos”.
Para seguridad del manejo de segmentos hay 2 “heaps”, uno para los
segmentos en sí y otro para administración de estructuras de datos,
como colas y pilas, en el primero como hay muchos segmentos a
través de la línea del tiempo de los procesos, segmentos son asignados
a una parte de la memoria y otros liberados, y esto fragmenta mucho
56
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
la memoria produciendo desperdicio y múltiples pedazos de memoria
tan pequeños que no se pueden utilizar, afortunadamente hay métodos
y algoritmos para reducir el impacto de desperdicio que producen la
fragmentación:
• First-fit: consiste en recorrer la lista secuencialmente hasta hallar el primer fragmento donde quepa la memoria solicitada, el
trozo encontrado se parte en dos para entregar sólo lo que se
necesita
• Best-fit: Consiste en recorrer la lista secuencial y completamente hasta hallar el fragmento donde quepa la memoria solicitada y se desperdicie el menor espacio posible, el trozo encontrado se parte en dos para entregar sólo lo que se necesita
• Worst-fit: consiste en recorrer la lista secuencialmente hasta
hallar el primer fragmento donde quepa la memoria solicitada
y sobre la mayor cantidad de memoria posible, el trozo encontrado se parte en dos para entregar sólo lo que se necesita
De las anteriores la segunda es la menos efectiva ya que llena la
memoria de pequeños trozos de memoria inútiles y el proceso para
reunificarlos y reciclarlos es sumamente caro en procesamiento en
función a la cantidad, mientras que la mejor solución es la de firstfit, debido que estadísticamente desperdicia menos, lo ideal es implementar siempre este método aunque resulta ineficiente en parte, ya
que siempre comienza desde el inicio aun cuando no se le ha notificado que se ha liberado un espacio para que se devuelva y verifique
si cabe el proceso, en lugar de dejar un puntero donde quedo para que
a partir de ahí siga buscando sin necesidad de que se devuelva a buscar espacios que por redundancia se sabe que no son suficientemente
grandes.
Algunas características positivas que aporta la segmentación son la
modularidad, cada segmento es independiente uno del otro, se puede
afectar uno sin que el otro tenga represalias, entre otras como protección, compartición, estructuras de datos largas, enlace dinámico entre
segmentos.
En conclusión el esquema de la segmentación presenta algunas ven-
4.6. Segmentación
57
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
tajas como las siguientes: conocimiento de las partes lógicas del programa de parte del programador, los segmentos se pueden tratar como
módulos separados y cada uno se puede compilar por aparte (en la
compilación es donde se crean las uniones entre segmentos), como
son separados unos de otros son fáciles de modificar uno por uno sin
afectar a los otros, la manera de compartir los módulos es sencillo,
pueden crecer en caliente o en tiempo de ejecución según las necesidades del programa, es posible crear segmentos aun cuando no existan
o cuando ni siquiera se le han asignado espacio (por ejemplo cuando
no se sabe el tamaño de un vector hasta que sea tiempo de ejecución
para asignarle el que necesita).
Algunas desventajas de la segmentación: incremento en los costos
de hardware y de software para llevar a cabo la implantación y su
consumo en recursos, producen mucha fragmentación externa, en la
memoria virtual podría representar un problema ya que estos funcionan con bloques fijos y los segmentos varían su tamaño y a su vez
está requiere una reubicación, o sea, más procesamiento consumido,
la compartición entre segmentos es útil pero se necesita mecanismos
de hardware y software adicionales para llevarlo a cabo, la implementación de la instrucción fork() es ineficiente, todas estas desventajas tratan de ser minimizadas por la siguiente técnica, la segmentación
paginada.
4.6.1 Segmentación paginada
La segmentación no suple al 100% con la necesidad de
aprovechamiento de la memoria, la paginación es otra técnica que
compite con ésta para el mejor rendimiento, aunque tampoco lo logra, se ha creado un método más efectivo que aprovecha las ventajas
de ambas llamado Segmentación paginada, lo que sucede es que hay
una administración segmentada pero el contenido usado para memoria contigua de cada segmento de página, el segmento tendría que
tener su propia tabla de páginas con 3 variables de dirección como lo
son S, P, D; la S es por el número de segmento, la P para el número
de página, y el D para el desplazamiento a partir de ahí, además de
SMT que es la tabla de mapas de segmentos que a su vez tiene en
58
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
cada entrada un PMT que es la tabla de mapas de página por cada
segmento.
Ventajas de la segmentación paginada: junta las ventajas de la paginación y la segmentación, se simplifican mucho las formas de almacenamiento, se elimina casi por completo la fragmentación externa y
la necesidad de usar ese costoso algoritmo de compactación.
Desventajas de la segmentación paginada: la incorporación de los
controles necesarios para el sistema incrementa en cuanto a procesamiento y uso de memoria, no logra eliminar la fragmentación interna, la paginación pura siempre se desperdicia la última página,
pero en este método se desperdiciaran en función a los segmentos
seleccionados
4.6.2 Fragmentación
Todos estos métodos intentan eliminar a un enemigo en común llamado “Fragmentación”, pero ¿Qué es la fragmentación?, es la incapacidad de poder tratar la memoria como asignamiento secuencial
para abastecer los procesos sin dejar desperdicios, la manera de eliminarla sería hacer que los procesos caigan en gravedad para dejar todos
los trozos libres en la parte superior y poder fusionarlos pero eso sería
demasiado ineficiente. Hay dos tipos de fragmentación, la interna y
la externa, la interna es cuando la memoria contigua se fragmenta y
la externa también pero cuando la memoria que se fragmenta no es
contigua, cuando una memoria no es contigua o parte de ella no lo
es, significa que no está destinada a asignación de procesos aunque sí
para satisfacer requerimientos.
4.7 Glosario
• Cola de procesos: Son los procesos que estén esperando a ser
cargados en memoria para su ejecución por parte del sistema.
4.7. Glosario
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Dirección base: Es la dirección física inicial del lugar donde el
segmento reside dentro de la memoria.
• Dirección límite: Es la dirección que especifica la longitud de
un segmento específico.
• Espacio de direcciones lógicas: Es el conjunto de todas las
direcciones lógicas.
• Mejor ajuste: Asigna el espacio más pequeño que tenga el
tamaño suficiente. Tiene como ventaja que genera el espacio
más pequeño posible restante.
• Memoria: Es dispositivo basado en circuitos que posibilitan el
almacenamiento limitado de información y su posterior recuperación.
• Peor ajuste: Es una posible solución para el problema de asignación dinámica de espacios de almacenamiento, el cual asigna
el mayor espacio de tamaño disponible.
• Primer ajuste: Es una posible solución para el problema de
asignación dinámica de espacios de almacenamiento, el cual
asigna el primer espacio de memoria que sea lo suficientemente
grande.
• Registro de reubicación: Es el registro base, el valor contenido
en este registro suma todas las direcciones generadas por un
proceso de usuario en el momento de enviarlas en memoria.
• Tabla de segmentos: Es una implementación para manejar las
direcciones bidimensionales definidas por el programa sobre
las direcciones físicas unidimensionales.
• Unidad de gestión de memoria (MMU, memorymanagement unit): Es un dispositivo de hardware que
establece la correspondencia entre direcciones virtuales y
físicas en tiempo de ejecución.
• Crecer en caliente: por lo general la expresión que acompaña a
“en caliente” se refiere a que no se necesita reiniciar el proceso
60
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
o apagar el proceso realizar el cambio y volverlo a ejecutar, si
no que se puedan hacer cambios durante su ejecución.
• Instrucción fork(): función del lenguaje C/C++ exclusivo en
Unix el cual permite formar nuevos procesos en paralelo.
• STM: mapa que usa la segmentación paginada para controlar
los segmentos (Segment table map)
• PMT: mapa que usa la segmentación paginada para controlar
las páginas (Page Map Table)
• Carga dinámica: consiste en cargar rutinas en memoria cuando
es convocada por el programa, no antes.
• Dirección física: dirección generada por un programa.
• Dirección lógica o virtual: dirección generada por el CPU.
• Montaje binario: se pospone hasta el tiempo de ejecución la
carga del programa.
• Montaje dinámico: incluir un stud en la imagen binaria para
encontrar y cargar una rutina cuando esta sea convocada.
• Montaje estático: incluir el código de las bibliotecas en la imagen binaria del programa.
4.8 Referencias
Martínez y Díaz, en su libro Sistemas Operativos: Teoría y práctica
(Consultar fuente [1]) plantean una introducción a los conceptos de
memoria y el administrador o gestor de memoria involucrados en el
desarrollo de un sistema operativo y explica con detalle la forma en
que se maneja la memoria disponible entre los procesos que están
siendo ejecutados.
Tanenbaum, en su libro Sistemas Operativos Modernos (Consultar
fuente [2]) detalla el concepto de memoria, su jerarquía y administración, también explica los conceptos de carga dinámica y de montaje
4.8. Referencias
61
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
dinámico así como sus bibliotecas compartidas. Este libro también
hace referencia a la asignación de direcciones.
Morera y Pérez-Campanero, en su libro Conceptos de sistemas operativos (Consultar fuente [3]) ofrecen no solamente una definición de
memoria sino que le dan una dimensión de recurso central, lo que los
lleva a explicar las formas de accesar las jerarquías de memoria y por
lo tanto, también explica cómo se integra la memoria al hardware de
la computadora y la asignación de direcciones.
Stallings, en su libro Sistemas Operativos (Consultar fuente [4]) da
una definición de memoria y su administrador, pero también explica el
comportamiento de la memoria en sistemas monoprogramados y multiprogramados. Este libro es más detallado con respecto a la reasignación de direcciones ya que explica qué sucede cuando la memoria
es compartida por varios procesos, así como la carga y descarga de
procesos. También de detalla la diferencia entre la memoria principal
y la memoria secundaria, sus características y las ventajas de un buen
sistema de gestión y acceso de memoria. Además explica con detalle
la definición de carga dinámica y los diferentes tipos de montajes.
Silberschatz, Baer y Gagne, en su libro Fundamentos de Sistemas Operativos (Consultar fuente [5]) explican los términos de registro base
y límite, así como los detalles del hardware necesario para que un sistema operativo pueda manejar apropiadamente la memoria, también
explica la forma en que se puede asegurar el espacio de un programa
en memoria. También detalla la reasignación de direcciones y las
condiciones que deben cumplirse para poder realizar una reasignación
en las diferentes etapas de creación del software. Provee, además
definiciones claras para las direcciones lógicas y físicas y de la utilización apropiada de la memoria en un sistema con carga dinámica,
así como el montaje dinámico.
4.9 Bibliografía
[1] Martínez, P., Díaz, J. (1996). Sistemas Operativos: Teoría y práctica. NS: Ediciones Díaz de Santos.
62
Chapter 4. Administración de memoria
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
[2] Tanenbaum, A. (2003). Sistemas operativos modernos. NS: Pearson Educación.
[3] Morera, J., Pérez-Campanero, P. (2002). Conceptos de sistemas
operativos. NS: Universidad Pontifica Comillas.
[4] Stallings, W. (1997). Sistemas Operativos. Madrid: Prentice Hall.
[5] Silberschatz, A., Baer P., Gagne, G. (2005). Fundamentos de Sistemas Operativos. España: Cofás S.A.
4.9. Bibliografía
63
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
64
Chapter 4. Administración de memoria
CHAPTER 5
Memoria virtual
Recopilado por: Julio Castro Bonilla, Carlos Fallas Victor y Walter
Román Quirós.
El término memoria virtual suele asociarse, con la capacidad que
tienen algunos sistemas, para acceder a direcciones, situadas en un
espacio de almacenamiento virtual, mucho mayor, que el disponible
en el almacenamiento real de un sistema informático determinado.
La memoria virtual es una técnica de gestión que, realizando una
combinación entre componentes de hardware y de software, en este
caso el sistema operativo, permite cargar programas parcialmente en
la memoria real. Esto hace parecer que la máquina tiene más memoria
que la memoria física que posee y de la que se sabe con anticipación.
5.1 Fundamentos
Los métodos más comunes para gestionar la memoria de los sistemas,
que permiten la existencia de un almacenamiento virtual, son la paginación y la segmentación y en algunos sistemas, se puede utilizar una
combinación de los dos métodos. En los sistemas de almacenamiento
real, para que un proceso se pudiera ejecutar, era necesario que el
proceso completo, estuviese cargado en el almacenamiento real, sin
65
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
embargo, los sistemas de memoria virtual se caracterizan, muy especialmente, porque las direcciones utilizadas por los programas en
ejecución, no necesitan estar todas ellas en el almacenamiento real.
5.1.1 Espacio de direcciones virtual
El espacio de direcciones virtual de un proceso, se refiere a la vista
lógica (o virtual) de cómo un proceso se almacena en la memoria.
Por lo general, este punto de vista es que un proceso comienza en una
dirección determinada y a su vez existe en la memoria contigua.
5.1.2 Independencia física
Este concepto se refiere a que al poseer la memoria virtual, ésta será
independiente de la memoria física, por lo cual, el sistema no estará
restringido solamente al espacio de la memoria física, si no que la
memoria virtual le dará un espacio adicional utilizable con las mismas
66
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
funciones que la memoria física. Esto da una ventaja adicional, y es
que se pueden ejecutar más programas al mismo tiempo, sin reducir
el tiempo de respuesta ni el de ejecución.
5.1.3 Biblioteca compartida
Los procesos que se encuentran alojados en la memoria virtual, tienen
la propiedad de compartir las bibliotecas del sistema, utilizando un
espacio de direcciones, el cual, como se menciona anteriormente es
compartido.
5.1.4 Compartimiento de memoria
La memoria virtual permite que los procesos puedan compartir el espacio de memoria, se crea una región destinada para este fin, que será
el espacio de direcciones virtual de cada proceso que la comparte.
5.1. Fundamentos
67
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
5.1.5 Carga simplificada del programa
Una función importante de la memoria virtual es la “reubicación” que
permite que el programa también se ejecute en cualquier lugar de la
memoria física.
5.1.6 Cantidad máxima de memoria
Se puede aparentar más memoria de la que se tiene físicamente, pero,
dependiendo de las características del procesador, facilitándole al programador el tener que preocuparse por mover los datos en memoria.
5.2 Paginación bajo demanda
Cuando se carga la memoria, todo el código ejecutable es cargado
aunque éste no vaya a ser utilizado por completo. La memoria virtual
68
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ofrece una característica muy importante, que es la de administrar solamente el código ejecutable con el que se trabajará, esto quiere decir,
que durante la ejecución del programa, sólo se cargarán las páginas
en memoria que el programa necesite y sean necesarias para que la
ejecución ocurra correctamente, las páginas que no sean utilizadas
durante la ejecución del programa no llegarán a cargarse en la memoria física. Cuando se va a cargar un proceso, se realiza una estimación
del espacio que se utilizará en el proceso, entonces, no se cargan la
totalidad de las páginas, sino, solamente las necesarias; lo que reduce
el tiempo de carga y la cantidad de memoria física utilizada.
5.2.1 Intercambiador perezoso
El intercambiador perezoso es el componente que solamente realiza un cambio de página cuando es estrictamente necesario. Para
este caso en específico de memoria virtual, se le llamará localizador,
puesto que, solamente carga las páginas necesarias y no todo el proceso, que provocaría un gasto de memoria. Un intercambiador perezoso nunca reincorpora una página a memoria a menos que se necesite. Como, desde este punto de vista, un proceso se considera una
secuencia de páginas en vez de un gran espacio contiguo de direcciones, el término intercambio es técnicamente incorrecto. Un intercambiador manipula procesos enteros, mientras que un paginador
trata con las páginas individualmente de un proceso.
5.2.2 Paginación bajo demanda pura
Bajo un esquema de paginación bajo demanda pura, el sistema nunca
traerá una página a la memoria hasta que se dé la petición de ésta. Se
trata de realizar paginación con intercambio, el bit de valídez de la
tabla de páginas indica si la página está o no en memoria.
5.2. Paginación bajo demanda
69
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
5.2.3 Localidad de referencia
Cuando el procesador solicita al hardware cierta dirección de memoria, el hardware transfiere a la memoria caché el byte o palabra solicitada y además transferirá un bloque o página completa.
La localidad de referencia involucra varios conceptos, entre ellos:
• Localidad temporal: Cuando un recurso es empleado, es muy
probable que vuelva a ser utilizado en poco tiempo.
• Localidad espacial: Es mas probable que un recurso que no sea
requerido sea accesado que un recurso cercano.
• Localidad secuencial: Un recurso, y muy particularmente la
memoria, tiende a ser requerido de forma secuencial.
70
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
5.2.4 Tabla de páginas
La tabla de página permite traducir direcciones virtuales a direcciones
físicas. Se encuentra indexada por el número de página virtual y contiene la dirección física de la página. Se requiere un bit de válido para
indicar que la entrada contiene un página física válida, es decir que
esta se encuentra en memoria principal y no producirá fallo de página.
El tamaño de la tabla de páginas es inversamente proporcional al
tamaño de página. Las tablas de páginas son habitualmente tan
grandes que se almacenan en memoria principal y, con frecuencia,
paginadas ellas mismas: se requiere un acceso a memoria para obtener
la dirección física y otro para obtener el dato.
Posee bits de control: válido, uso, sucio, permiso lectura y permiso escritura además de una optimización en: jerarquía de tablas de página,
técnicas hashing (tablas de páginas invertidas) y buffer de traducción
anticipada (TLB).
5.2. Paginación bajo demanda
71
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
5.2.5 Memoria Secundaria
Esta memoria contiene las páginas que no se conservan en la memoria
principal. La memoria secundaria casi siempre es un disco de alta
velocidad.
5.2.6 Espacio de intercambio
El espacio de intercambio es utilizado como áreas de almacenamiento
de memoria virtual cuando el sistema no tiene suficiente memoria
física para manejar los procesos actuales.
El sistema de memoria virtual asigna copias físicas de archivos en
disco a el sistema operativo puede buscar un proceso poco activo, y
moverlo al área de intercambio (el disco duro) y de esa forma liberar
la memoria principal para cargar otros procesos. Mientras no haga
falta, el proceso extraído de memoria puede quedarse en el disco, ya
que ahí no utiliza memoria física. Cuando sea necesario, el sistema
vuelve a hacer un intercambio, pasándolo del disco a memoria RAM.
5.3 Fallos de página
Un fallo de página es cuando un programa intenta acceder a un espacio de sus direcciones, pero éste espacio no se encuentra cargado
en la memoria física del sistema. Cuando se da un fallo de página,
el sistema operativo debe responder cargando en memoria los datos
que se quieren acceder, permitiendo que el programa continúe con su
ejecución normal.
El manejador de fallos de página determina cómo debe reaccionar
el sistema operativo ante un fallo de página. Puede determinar las
siguientes acciones:
• Encontrar donde se encuentra la página en disco y leerla.
• Cuando la página ya está en la RAM, reconfigura la Unidad de
Manejo de Memoria (MMU) para que apunte a dicha página.
72
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Apunta a una página que sólo ceros y si el proceso va a realizar
una escritura, se le asigna una nueva página.
• Obtener la página deseada desde otro lugar.
5.3.1 Ventajas
Ejecutar un programa en la memoria virtual, permite una serie de características positivas que se mencionan a continuación:
• Permite que los programas que se ejecutarán en el sistema sean
más grandes que la memoria física instalada.
• Permite aumentar el grado de multiprogramación.
• Sea necesaria menos e/s para intercambiar programas. -*
Se implementa generalmente mediante la paginación bajo demanda.
5.3.2 Desventajas
Así como las características positivas, se encuentran también varios aspectos negativos que hay que considerar cuando se trabaja con
memoria virtual, los cuales son:
• La paginación bajo demanda puede afectar significativamente
al rendimiento de un sistema informático. Ya que ralentiza el
proceso.
• Carece de una zona de almacenamiento secundario donde almacenar las páginas.
• Hacerlo en un archivo es más flexible, pero hay que sufrir las
indirecciones del sistema de archivos.
• Hacerlo en una partición o en un disco dedicado es más rápido,
pero se pierde flexibilidad.
5.3. Fallos de página
73
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Se pueden ejecutar programas más grandes que la memoria
física pero afectando negativamente la velocidad de ejecución
del programa.
• Dado que a menudo hay que traer páginas a memoria, surge el
problema de cuáles reemplazar.
5.4 Copia durante escritura
Esta función es muy importante durante la ejecución de los procesos en memoria virtual, porque permite que los procesos padre e hijo
puedan compartir las mismas páginas, éstas páginas son marcadas
como “copia durante escritura”, esto permite que cualquiera de los
dos procesos que se encuentran compartiendo las páginas escriba en
alguna de ellas, inmediatamente se realiza una copia de la misma, para
que la información escrita pueda estar disponible solamente para el
proceso que la escribió en ese momento. Las páginas no modificadas
por los procesos seguirán siendo compartidas; además solamente podrán ser marcadas las páginas que puedan ser modificas, por ejemplo,
las que no sean las que contienen el código ejecutable.
Esta característica ofrecida por la memoria virtual, mejora la eficiencia de la memoria física, ya que es manejada de igual forma por la
misma memoria virtual. Así, cuando dos procesos necesiten tener
copias diferentes del mismo objeto, entonces la Unidad de Manejo
de Memoria (MMU) se encarga de realizar una copia compartida en
la memoria virtual y además de marcar ésta como página de “copia
durante escritura” en esa región de memoria.
5.4.1 Ventajas y desventajas de la utilización de
la memoria virtual
Ejecutar un programa en la memoria virtual, permite una serie de características positivas que se mencionan a continuación: Permite que
los programas que se ejecutarán en el sistema sean más grandes que
74
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
la memoria física instalada. Permite aumentar el grado de multiprogramación. Sea necesaria menos e/s para intercambiar programas. Se
implementa generalmente mediante la paginación bajo demanda.
Así como las características positivas, se encuentran también varios aspectos negativos que hay que considerar cuando se trabaja con
memoria virtual, los cuales son: La paginación bajo demanda puede
afectar significativamente al rendimiento de un sistema informático.
Ya que ralentiza el proceso. Carece de una zona de almacenamiento
secundario donde almacenar las páginas. Hacerlo en un archivo es
más flexible, pero hay que sufrir las indirecciones del sistema de
archivos. Hacerlo en una partición o en un disco dedicado es más
rápido, pero se pierde flexibilidad. Se pueden ejecutar programas más
grandes que la memoria física pero afectando negativamente la velocidad de ejecución del programa. Dado que a menudo hay que traer
páginas a memoria, surge el problema de cuáles reemplazar.
5.5 Sustitución de páginas
La memoria de una máquina debe compartirse entre los muchos procesos que están siendo ejecutados en la máquina y que solicitan espacios para realizar tareas en memoria, y además entre las demandas de
los dispositivos de entrada y salida, como resultado tenemos muchos
mecanismos que pretenden hacer una asignación válida y funcional
de la memoria con la que cuenta el sistema.
Cuando un proceso intenta acceder a una página de memoria que se
encuentra ocupada o cuando un proceso solicita memoria y no se
encuentra ninguna página disponible se produce lo que conocemos
como un fallo de página; si un proceso provoca un fallo de página el
sistema lo intentara solucionar haciendo sobreasignación de memoria, el cual es un término para describir los métodos que utiliza el
sistema operativo para liberar memoria poder asignar al proceso que
provoque un fallo de página.
Entre los distintos mecanismos que utilizan los sistemas operativos
están: terminar un proceso, o descargarlo de memoria para poder asig-
5.5. Sustitución de páginas
75
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
narla a nuevos procesos pero el método mas común, y con mejores resultados es la sustitución de páginas, la cual cuenta con varios mecanismos que serán explicados a continuación.
5.6 Mecanismos de sustitución de páginas:
5.6.1 Sustitución Básica
La sustitución clásica o básica consiste en un mecanismo muy sencillo, en el cual al producirse un fallo de página al no haber marcos
disponibles para un proceso el sistema operativo toma un marco sin
ningún criterio para escogerlo, y transcribe su información al espacio
de intercambio de la memoria para luego liberar el marco en el que se
encontraba dicha información, luego indica el cambio en la tabla de
páginas de la memoria.
Estos cambios pueden resultar muy costosos en tiempo y rendimiento
de la ejecución, debido a que es probable que para poder asignar la
memoria correctamente se deba repetir el proceso al menos dos veces, esto debido a la mecánica del procedimiento que podría dejar sin
76
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
espacio a un proceso que ya se estaba ejecutando y éste volvería a solicitar memoria al sistema operativo, para solucionar este problema se
utiliza un mecanismo conocido como Bit Sucio o Bit de Modificación,
el cual consiste en asociar a cada marco de memoria un bit específico
en la memoria, el cual se enciende si el marco es accedido por algún
proceso durante el último ciclo de reloj de la máquina, esto facilita
escoger si el marco se utiliza o no para sustitución, si fue accedido
no se sustituirá ya que es probable que vuelva a ser utilizado en el
siguiente ciclo de reloj.
5.6.2 Sustitución de Páginas FIFO
El término FIFO es la abreviatura de first in first out qué quiere decir primero en entrar primero en salir y es así precisamente como
funciona este algoritmo de sustitución de páginas.
El mecanismo funciona de una manera muy sencilla, el administrador
de memoria marca o identifica cada página en el orden en que estas
fueron cagadas a la memoria, la primera en ser cargada, la segunda en
ser cargada y así sucesivamente, dichas marcas sirven para identificar
cual pagina sera sustituida, al ocurrir un fallo de pagina la primera de
estas que fue cargada a la memoria será la escogida para ser sustitu-
5.6. Mecanismos de sustitución de páginas:
77
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ida, luego se cambian las marcas de las demás páginas haciéndolas
avanzar un lugar en el orden de entrada y marcando la pagina que
recién fue liberada como la última en cargarse.
El sistema FIFO es muy sencillo de implementar pero tiene una gran
desventaja, una falla en su funcionamiento conocida como la Anomalía de Belady.
5.6.3 Anomalía de Belady
La anomalía de Belady, descubierta en 1969 por el científico y computólogo húngaro Laszlo Belady, consiste en un error en el funcionamiento de los algoritmos de sustitución y que, particularmente,
es mucho más común cuando se utiliza el método FIFO, consiste en
un incremento de los fallos de página según se incrementa el tamaño
de la memoria, es decir, cuantos más marcos de memoria tenga el sistema mayor incidencia de fallos de página ocurrirá, esto debido a el
funcionamiento del algoritmo.
Debido a esta característica el mecanismo de sustitución FIFO es inadmisible para su uso en la administración de memoria actualmente.
78
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
5.6.4 Sustitución Óptima
Este mecanismo de sustitución de páginas, como su nombre lo indica,
describe la forma mas óptima y acertada para reducir los fallos de
página y para asignar los marcos de memoria, de ser esta posible.
El algoritmo describe un mecanismo en el cual se asignan para sustitución las páginas que vayan a ser accedidas la menor cantidad de veces
en el mayor período de tiempo, es decir, las que se utilicen menos en
los próximos X segundos, donde X es un número cualquiera.
EL problema con este algoritmo es que, es muy difícil o casi imposible tener una proyección acertada del comportamiento de la memoria,
de los accesos, lecturas, cargas y escrituras que se den en las distintas páginas y marcos, ya que esto es sumamente variable, depende de
los procesos que se ejecuten y de la interacción que el usuario tenga
con la computadora, por lo tanto su implementación real es muy poco
realista; este mecanismo se utiliza en mayor parte como comparación
de rendimiento con otros algoritmos de sustitución.
5.6.5 Algoritmo LRU
El término LRU o por sus siglas en inglés Least Recently Used significa el menos usado recientemente, lo cual hace referencia a como
5.6. Mecanismos de sustitución de páginas:
79
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
se escogen las paginas para ser sustituidas.
El algoritmo funciona monitoreando los bits de referencia o bits sucios de cada una de las páginas de la memoria, y lleva un registro
de cómo se han comportado en un determinado lapso de tiempo, al
ocurrir un fallo de página el administrador de memoria consulta ese
registro de actividad y escoge para la sustitución las páginas que no
fueron accedidas del todo recientemente o bien las que fueron menos
accedidas, produciendo así un rendimiento muy cercano al del algoritmo óptimo de sustitución.
La desventaja de este mecanismo es el elevado costo de implementación y recursos que el algoritmo genera al tener que monitorear
y guardar registro de todas el comportamiento de cada página en
memoria, lo cual lo vuelve muy inaccesible para la mayoría de los
equipos y sistemas.
Existen otros métodos muy parecidos a el LRU, como el NRU Not
Recently Used o no usado recientemente la diferencia radica en el el
NRU solo monitorea el bit de referencia de las páginas, sin tener registro, por lo que sustituye las páginas que no se usaron en el último
ciclo de reloj, por lo que podría llegar a descartar páginas que se estén utilizando frecuentemente; además existen otras variaciones que
buscan un resultado similar o cercano en rendimiento pero inferior en
80
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
costo y recursos.
5.6.6 Aproximación LRU
Una de las variaciones del LRU es el algoritmo de aproximación LRU,
el cual busca un resultado semejante reduciendo los costos en procesamiento mediante la implantación de bits físicos o de hardware relacionados con las páginas de memoria,y funcionan como los bits de
referencia, con algunos cambios en el funcionamiento del algoritmo
que reducen sus costos pero también reducen su rendimiento.
5.6.7 Algoritmo de la Segunda oportunidad
EL algoritmo de la segunda oportunidad es una variación del algoritmo FIFO, ya que cuenta con su misma lógica de entrada y manejo
de referencia sobre el orden en que ingresaron las páginas, y al igual
que el algoritmo FIFO este tomará para la sustitución la primera
página que ingreso a la memoria y por ende la más antigua, pero con
la diferencia de que, al seleccionar la página mas antigua el algoritmo
verifica el bit de referencia, si éste está encendido significa que la
página fue accedida en el último ciclo de reloj, y por ende es posible que vuelva a ser necesitada, así que el algoritmo toma la página,
apaga su bit de referencia y lo coloca de primero en la cola de páginas,
como si fuese la página mas reciente en ingresar, re acomoda toda la
cola y vuelve a ejecutarse hasta que encuentre una página con su bit
de referencia en 0, al encontrarla es ésta la que es borrada y se ingresa
la nueva página en la cola.
5.6.8 Algoritmo de Sustitución por Contador
El algoritmo de sustitución por contador, como su nombre lo indica,
funciona mediante la asignación de contadores para cada una de las
páginas de memoria, los cuales incrementan cada vez que alguna de
estas es accedida por un proceso, durante un lapso determinado de
5.6. Mecanismos de sustitución de páginas:
81
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
tiempo; cuando se produce un fallo de página, el algoritmo puede
decidir la sustitución mediante dos enfoques: LFU y MFU.
• LFU : siglas de least frequently used que significa menos frecuentemente usada; en este enfoque se sustituye la página con
contador menor, ya que, se asume que como no se ha usado
recientemente la página ya no se necesitara y se descarta.
• MFU: siglas de most frequently used que significa más frecuentemente usada; en este enfoque se sustituye la página con
el mayor contador, ya que, se asume que la página con mayor
cantidad ya ha sido accedida muchas veces y que por ende ya no
se necesite más, se asume también, que las páginas con menor
contador son las mas nuevas y que por ende apenas comienzan
a utilizarse y deben ser conservadas en la memoria.
5.7 Asignación de Marcos
Memoria paginada, es una técnica que permite a los procesos cargar en memoria solamente partes del programa, llamadas páginas de
memoria, que son necesarias para su ejecución. El objetivo principal de esta técnica, es el poder ejecutar programas que requieran más
memoria que la memoria principal disponible.
Los marcos son los espacios donde se alojan las páginas de memoria
en la memoria principal. Cada proceso tiene una cantidad de marcos
definida. Cuando los procesos agotan los marcos libres y necesitan
una página nueva se produce un fallo de página, para liberar un marco
de memoria (la página que estaba en ese marco se pasa a memoria
secundaria) y se carga la nueva página que se necesita.
Aquí surge la pregunta ¿Cuántos marcos se le deben asignar a cada
proceso? Para dar respuesta a esta pregunta existen varias técnicas,
que se discutirán luego, pero siempre se debe considerar que el mínimo de páginas que se deben asignar a los procesos depende de la
arquitectura del sistema, ya que esta dicta el tamaño de las instrucciones y si el proceso no tiene suficiente memoria para ejecutar una
instrucción, se producirán fallos de página, constantemente, con el fin
82
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
de poder ejecutar la instrucción, lo cual hará la ejecución del proceso
sea más lenta.
Por otro lado la cantidad máxima de marcos está dada por la cantidad
de memoria primaria disponible; así si se poseen 100kbs de memoria
primaria divididos en 10 marcos de 10kbs cada uno, y solamente se
tienen disponibles 20kbs, entonces solo se puede asignar como máximo dos marcos a un proceso.
5.7.1 Algoritmos de Asignación de Marcos
Los algoritmos de asignación corresponden a los mecanismos utilizados para asignar la cantidad de marcos de página correspondientes a cada proceso. Se distinguen dos algoritmos, Asignación
Equitativa, que corresponde a dividir la memoria disponible equitativamente y dar a cada proceso la misma cantidad, y Asignación proporcional, aquí se le asignara más memoria a los procesos que así la requieran con el fin de acelerar su ejecución.
Hay que notar que a pesar de que la Asignación equitativa es más fácil
5.7. Asignación de Marcos
83
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
de entender y de implementar, tiene la desventaja de que todos procesos van a recibir la misma cantidad de memoria independientemente
de si la necesitan o no. Por ejemplo los procesos A, B y C van a ser
ejecutados en un sistema que utiliza asignación equitativa, por lo que
ambos procesos reciben 42kbs de memoria cada uno, pero el proceso
A necesita más de 42kbs por lo que su taza de fallos de página se incrementa y su ejecución se ralentiza, mientras que los procesos B y
C solamente necesitan 10kbs y 30kbs, respectivamente, por lo que se
están desperdiciando 44kbs de memoria que podría utilizar el proceso
A para reducir su taza de fallos de página y así acelerar su ejecución.
La Asignación Proporcional solventa el problema de la asignación
equitativa, al asignar la memoria de acuerdo a las necesidades de
los procesos. Pero ambos mecanismos, tanto la asignación equitativa
como proporcional, tienen la desventaja de que todos los procesos son
tratados igual, así procesos de alta prioridad pero que requieran poca
memoria van a recibir poca memoria, y su ejecución podría ralentizarse.
Para solventar este problema se puede utilizar un mecanismo de asignación proporcional, pero en lugar de basarse en el tamaño del proceso se debe basar en la prioridad del mismo. De esta manera procesos de alta prioridad reciben más memoria, haciendo que se ejecuten
más rápido.
5.7.2 Asignación Local y Asignación Global
Otro factor importante es la forma en que estos marcos de página son
asignados a entre todos los procesos ejecutables. Se distinguen dos
formas Asignación Local, donde todos los procesos reciben una fracción fija de la memoria, y la Asignación Global, donde los procesos
reciben marcos de memoria de forma dinámica durante su ejecución,
es decir, la cantidad de marcos asignada a un proceso puede cambiar
durante su ejecución.
También se debe considerar el concepto de sobrepaginación, este
fenómeno ocurre cuando un proceso no tiene suficientes marcos de
memoria para llevar a cabo sus tareas, esto provoca que aumente la
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Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
taza de fallos de página por lo que la ejecución del proceso se ralentiza.
La Asignación Local de Marcos, como ya se mencionó anteriormente,
asigna una fracción fija de la memoria disponible. Debido a esto se
los procesos pueden entrar en sobrepaginación a pesar de que pueden
existir marcos de memoria libres, debido a que los procesos no pueden
recibir más memoria durante la su ejecución.
En cambio la Asignación Global de Marcos, asigna una fracción de la
memoria disponible al proceso, cuando inicia su ejecución, pero esta
cantidad puede cambiar durante el tiempo de ejecución del proceso.
De esta manera si los procesos entran en sobre paginación pueden
solicitar marcos de memoria extra, ya sea de memoria libre o de otro
proceso en ejecución, como se muestra en la imagen anterior, donde
el proceso Y entra en sobrepaginación y se le es asignada memoria
del proceso X y del Proceso Z, representadas con líneas punteadas
Aquí se debe tener cuidado debido a que si un proceso entro en sobre
paginación, y solicita más marcos de memoria, pero no hay marcos
5.7. Asignación de Marcos
85
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
libres, entonces se va a proceder a quitarle marcos a otros procesos lo
cual puede producir que estos procesos, a su vez entren en sobrepaginacion.
Para solventar el problema anterior se utilizan una cota inferior, para
indicarnos la cantidad mínima de marcos que puede tener un proceso,
de forma que no entre en sobrepaginación.
Es importante mencionar que el modelo más utilizado es el de Asignación Global con Asignación proporcional puesto a que se incrementa la taza de procesamiento del sistema.
5.7.3 Tamaño de los Marcos
El concepto de tamaño de los marcos hace referencia al tamaño que
deben tener los marcos de página, nótese que los marcos y las paginas
tienen el mismo tamaño.
La fragmentación interna se refiere a la cantidad de memoria dentro
de una página que no es utilizada. Por ejemplo, si un sistema tiene
páginas de memoria de 10kbs cada una y un proceso X necesita 6kbs
de memoria, el sistema le asignara una página de memoria la proceso,
aquí ocurre una fragmentación interna puesto a que se están desperdiciando 4kbs de los 10kbs que recibió el proceso.
Generalmente, una vez definido el tamaño de las páginas de memoria en el diseño de un sistema no se puede cambiar. Por lo que se
debe tomar la decisión de que si se va a utilizar un tamaño grande o
pequeño para los marcos.
El utilizar un tamaño pequeño tiene la ventaja de que se reduce la
fragmentación interna de la memoria, y se aprovecha mejor la memoria, pero se producirán más fallos de página. Esto debido a que la
información necesaria para la ejecución del proceso estará distribuida
entre más páginas.
Por otro lado el utilizar un tamaño grande para las paginas tiene la
ventaja de que se reducen los fallos de página, y se reducen los tiempos de E/S, ya que las paginas pueden almacenar fragmentos más
grandes de los archivos por lo que el tiempo de E/S se reduce, pero
86
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
como ya se mencionó anteriormente la fragmentación interna se aumenta.
5.8 Sobrepaginación o Hiperpaginación
Como ya se mencionó anteriormente la Sobrepaginación o Hiperpaginación es un fenómeno que ocurre cuando un proceso sufre de muchos fallos de página continuamente, provocando que la mayor parte
del tiempo de ejecución del mismo sea consumido por el proceso de
trata de fallos de página
Este problema es no es tan grave si se utiliza la Asignación Local, ya
que si un proceso se sobrepágina, no afecta a los demás procesos en
ejecución. Pero también existe la posibilidad de que el si el proceso no
se sobrepágina se pueda estar desperdiciando memoria, ya que puede
no necesitar toda la memoria asignada.
En cambio cuando se utiliza la Asignación Global, el problema de
la sobrepaginación es más grave, ya que como se mencionó anteriormente si un proceso se sobrepágina es posible que se terminen
sobrepaginando otros procesos. Para clarificar esto considere el siguiente ejemplo, en un sistema actualmente están corriendo tres procesos X, Y y Z, de los cuales X necesita más memoria y termina
sobrepaginándose, como no hay memoria libre para poder asignarle
el Sistema Operativo le quita memoria a los procesos Y y Z para
asignársela al proceso X, pero aun así el proceso X necesita más
memoria y continua sobrepaginado. Al reducir la memoria de los
procesos Y y Z provoca que se sobrepaginen, en consecuencia la taza
de procesamiento del sistema disminuye, por lo que la ejecución de
los procesos se ralentiza considerablemente.
5.8.1 Control de Carga
Esta es una técnica para lidiar con la sobrepaginación de procesos
en los sistemas con Asignación Global. La idea principal de este algoritmo es que cuando haya una sobrepaginación de procesos, y no
5.8. Sobrepaginación o Hiperpaginación
87
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
exista memoria libre, así como tampoco se le puede quitar memoria
a otros procesos, se debe pausar la ejecución de un proceso de baja
prioridad y descargarlo de memoria principal, para liberar la memoria
que tenía asignada y poder utilizarla para acelerar la ejecución de los
demás procesos.
Normalmente el proceso seleccionado para ser pausado se copia a la
región de swap de la memoria secundaria, y la memoria primaria que
tenía ocupada se le asigna a los demás procesos para que continúen su
ejecución, como se muestra en la imagen anterior, donde el proceso
C es descargado a la region de swap y su memoria es asignada a los
procesos A y B. Cuando el sistema detecta que ya no hay procesos
sobrepaginados y la taza de procesamiento del sistema es baja se toma
proceso, que se descargó a la región de swap, y se restaura en memoria
primaria para que continúe con su ejecución.
88
Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
5.9 Asignación de Memoria del Kernel
Para la asignación de memoria del kernel se debe tener en cuenta de
que el Kernel debe mantener estructuras de datos de tamaños variables, por lo que hay que tener cuidado con la fragmentación interna,
en miras de no desperdiciar memoria.
Además es posible que ciertos dispositivos de hardware interactúen
directamente con la memoria sin utilizar la interfaz de memoria virtual, por lo que no se puede asignar memoria de forma paginada, y se
debe asignar memoria contigua.
Los mecanismos de los que se discutirán en las siguientes secciones
tienen el objetivo de asignar memoria continua al kernel de forma que
se minimice la fragmentación interna y no afecte a los dispositivos de
hardware que interactúan directamente con la memoria.
5.9.1 Asignación de Slaps
Como ya se mencionó anteriormente, este es un mecanismo para asignar memoria al kernel. Utiliza slaps o franjas, que están compuestas
por una o más páginas de memoria físicamente continuas, y una cache
formada por una o más franjas.
La idea principal de este sistema es asignarle a cada cache un tipo de
estructura de datos, por ejemplo hay una cache para los descriptores
de procesos, otra para los objetos de archivos, otra para los semáforos
y así sucesivamente. Cada una de estas caches solamente podrá almacenar instancias del tipo es estructura de datos asignada a esa cache,
así la cache de semáforos solamente podrá almacenar objetos del tipo
semáforo y así sucesivamente, tal y como se ve en la imagen anterior.
Inicialmente cuando una cache se crea se le asigna el tipo de estructura a almacenar y la cantidad máxima de instancias que puede contener, esta cantidad depende de la cantidad y el tamaño de las franjas
asignadas a la cache. Cuando se necesite crear un nuevo objeto el
asignador toma un espacio libre de la cache se la asigna al nuevo objeto.
5.9. Asignación de Memoria del Kernel
89
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
De igual manera cuando un objeto se necesita eliminar, el asignador
marca el espacio, asignado al objeto, en la cache como libre y este se
puede volver a asignar a otro nuevo objeto.
Con este sistema la fragmentación no es problema, ya que cuando
el sistema solicita memoria para un objeto el asignador devuelve la
cantidad exacta de memoria requerida para ese objeto. Además las
solicitudes de memoria se satisfacen más rápidamente debido a que
la asignación de slaps o franjas es particularmente efectivo en aquellas situaciones en la asignación y desasignación de memoria ocurre
frecuentemente.
5.9.2 Buddy System
Este mecanismo, al igual que el anterior, tiene el propósito de asignar
memoria al kernel. Este se diferencia al anterior en que en lugar de
tener un conjunto de caches compuestas por segmentos de memoria
continua, cuenta con un segmento de memoria continúa del tamaño
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Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
de una potencia de 2. Este segmento se divide en 2, generando dos
subsegmentos cuyo tamaño es una potencia de 2 y a su vez cada subsegmento se divide en 2 hasta que se encuentre con un subsegmento
del tamaño exacto a la cantidad de memoria solicitada por el kernel.
Dado el caso de que la cantidad solicitada por el kernel no sea potencia de 2 se le asigna un subsegmento cuyo tamaño sea igual a la
próxima potencia de dos del tamaño solicitado por el kernel.
Para clarificar considere la imagen anterior, suponga que el kernel solicita 10 kbs de memoria para almacenar una estructura. Entonces el
asignador parte del segmento de memoria continua más grande que
tiene, en este caso de 128 kbs, y lo divide en dos generando dos bloques de 64 kbs cada uno. El asignador comprueba que todavía el
segmento de 64 kbs se puede dividir y la estructura puede caber en
alguno de los subsegmentos resultantes, por lo que se divide uno de
los segmentos de 64 kbs y se generan dos subsegmentos de 32 kbs,
uno de estos segmentos a su vez se divide en dos generando dos subsegmentos de 16 kbs. En este punto el asignador nota que no puede
5.9. Asignación de Memoria del Kernel
91
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
seguir dividiendo los segmentos, puestos a que la estructura no cabría,
por lo que el asignador almacena la estructura en uno de los bloques
de 16 kbs.
Así la fragmentación interna se reduce y este sistema tiene la ventaja
de que tanto la división como la fusión de segmentos es muy rápida,
por lo tanto puede satisfacer rápidamente las solicitudes de memoria.
Este sistema es utilizado en los Sistemas Operativos Linux.
5.10 Glosario
• Asignación Equitativa: Es un mecanismo de asignación
de memoria para los procesos donde la memoria principal
disponible se divide de forma equitativa entre todos los procesos.
• Asignación Global: Es una forma de asignar memoria paginada
a los procesos, donde los procesos tiene un cantidad inicial de
memoria, pero que puede cambiar durante su ejecución dependiendo de sus necesidades.
• Asignación Local: Es un forma de asignar memoria paginada a
los procesos, donde cada proceso tiene una cantidad de fija de
memoria que no puede cambiar durante la su ejecución.
• Asignación Proporcional: Es un mecanismo de asignación
de memoria para los procesos, aquí la memoria principal
disponible se divide entre todos los procesos dependiendo de
las necesidades de cada proceso. De forma que un proceso más
grande reciba más memoria.
• Buddy System: Sistema para la asignación de memoria continua para estructuras del kernel, utilizado por los Sistemas Operativos Linux
• Fragmentación interna: Fragmentación de memoria que ocurre
dentro de una página de memoria de un proceso, es decir porción de memoria desperdiciada por el proceso.
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Chapter 5. Memoria virtual
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Marco de Página: Campo en memoria principal donde se puede
alojar una página de memoria.
• Memoria virtual: Técnica que permite la ejecución de procesos que no se encuentran completamente en memoria, además
permite la compartición de archivos y de bibliotecas entre los
diferentes procesos
• Página de Memoria: Segmento de memoria de un proceso, que
se carga en memoria solamente cuando es necesario para que
procesos ejecute un tarea.
• Slap: Franja formada por una o varias paginas de memoria contiguas, que solamente puede almacenar estructuras de un tipo
definido.
5.11 Notas Bibliográficas
• Silberschatz, A., Galvin, P. & Gagne, G. (2013). Operating
System Concepts (Novena ed.) Denver: John Wiley & Sons,
Inc.
• Carretero pérez, J., García carballeira, F., Miguel anasagasti,
P. & Pérez costoya, F. (2001).
Sistemas Operativos
Una visión aplicada (Primera ed.) Madrid: McGRAWHILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S.A.U..
• Wolf, G. (s. f.). Administración de Memoria: Memoria Virtual Recuperado de http://sistop.gwolf.org/laminas/12memoria-virtual.pdf
• Silberschatz, A. (2013). Fundamentos de Sistemas Operativos.
• Wolf, G. (2013). Sistemas Operativos - Administración de
Memoria. En G. Wolf, Sistemas Operativos - Administración
de Memoria.
• Oracle. (2014). Gestión de sistemas de archivos. Obtenido
de http://docs.oracle.com/cd/E56339_01/html/E53910/fsswap89187.html
5.11. Notas Bibliográficas
93
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Carretero Pérez J., García Caballeira F., Anasagasti P., Pérez
Costoya F. (2001).Sistemas operativos: Una visión aplicada
(1st ed.). Madrid: McGraw-Hill.
• Tanenbaum A. S., Romero Elizondo A. V. (2009). Sistemas
operativos modernos. México: Pearson Education.
• Tanenbaum, A. S., & Palmas Velasco, O. A. (1996). Sistemas
operativos distribuidos. México: Prentice Hall Hispanoamericana.
• Silverchatz A., Galvin Baer P., Gagne G. (2006). Fundamentos
de Sistemas Operativos. Madrid: McGraw-Hill.
• Buddy
System|Memory
allocation|Operating
Systems.
(n.d.).
Retrieved April 24, 2015, from
http://dysphoria.net/OperatingSystems1/4_allocation_buddy_system.html
94
Chapter 5. Memoria virtual
CHAPTER 6
Sistemas de archivos
Recopilado por: Juan Guevara Jiménez y Marco Navarro Navarro.
El objetivo principal de una computadora es crear, manipular, almacenar y retornar datos. El sistema de archivos es uno de los actores
que provee la funcionalidad necesaria para dar soporte a esas tareas.
Desde un punto de vista general un sistema de archivos se encarga de
organizar, almacenar, retornar y manejar información en un dispositivo de almacenamiento permanente como un disco. Los sistemas de
archivos forman parte integral de cualquier sistema operativo.
6.1 Diseño de sistemas de almacenamiento
Existen varias estrategias para realizar la gestión de almacenamiento
permanente. Por un lado están los sistemas de archivos que imponen
restricciones suficientes para incomodar a los usuarios, provocando
que su uso sea difícil. En el otro extremo están los sistemas de almacenamiento de objetos persistentes y bases de datos orientadas a objetos, que abstraen la noción completa de almacenamiento permanente
de manera que ni el usuario ni el programador necesiten percatarse de
ello.
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Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
El problema de almacenar, retornar y manipular información en una
computadora es de una naturaleza tan general que hay muchas maneras de resolverlo. No hay una forma “correcta” de escribir un sistema
de archivos. Al decidir qué tipo de sistema de archivo es apropiado
para un sistema operativo en particular, debemos sopesar las necesidades del problema con las otras restricciones del proyecto. Por
ejemplo, una tarjeta flash-ROM tal como se usa en algunas consolas de videojuegos tiene poca necesidad de una interfaz avanzada de
búsqueda o soporte para atributos. La confiabilidad de que los datos
sean escritos al dispositivo, no obstante, es crítica, entonces un sistema de archivos que soporte “journaling” (registro por diario) puede
ser un requisito. De igual forma, un sistema de archivos para una
computadora de alta gama (mainframe) requiere de un rendimiento
extremadamente rápido en muchas áreas, pero poco en características
amigables con el usuario, entonces técnicas que habilitan mas transacciones por segundo ganarían peso sobre aquella que hacen mas fácil
para el usuario localizar archivos obscuros.
Es importante tener en mente la meta abstracta de lo que un sistema
de archivos debe lograr: almacenar, retornar, localizar y manipular
información. Mantener la meta declarada en términos generales nos
libera para pensar en implementaciones alternativas y posibilidades
que de otro modo, no surgirían si tuviéramos que pensar en un sistema de archivos como una estructura típica, estrictamente jerárquica,
basada en disco.
6.2 Tipos de sistemas de archivo
En la actualidad podemos encontrar muchos ejemplos de sistemas de
archivos. Sin embargo estos sistemas podrían potencialmente ubicarse en alguno de los siguientes tipos, dependiendo de la estrategia
de implementación de los desarrolladores.
96
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.2.1 Sistemas de archivos estructurados por
registro
Los avances en el aspecto tecnológico están ejerciendo presión sobre
los sistemas de archivos actuales. La aparición de procesadores más
veloces, discos más grandes y de menor costo (pero no mucho mas
rápidos) y las memorias aumentando su tamaño de manera exponencial; con estos factores en juego, el único parámetro que no está teniendo grandes avances es el tiempo de búsqueda en disco. Un cuello
de botella de funcionamiento está creciendo en muchos sistemas de
archivos. Los investigadores en Berkeley trataron de aliviar este problema al diseñar un tipo de sistema de archivos completamente nuevo
llamado LFS (Log-structured File System, sistema de archivos estructurado por registro). Dicho sistema es una re-implementación de
UNIX.
La idea que dio lugar al diseño de este sistema de archivo, es que a
medida que los procesadores y las memorias RAM aumentan su capacidad, las cachés de disco crecen también. Producto de ello, ahora
es posible satisfacer una fracción considerable de todas las peticiones
de lectura desde la caché, sin requerir acceso directo al disco. Se toma
el disco como una unidad completa, estructurándole como un registro.
Este sistema coloca todas las escrituras en un búffer en memoria y
periódicamente se escriben en el disco en un solo segmento al final
del registro. Dado que un disco es de tamaño limitado puede darse el
problema de que este se llene, para lidiar con ello, este tipo de sistema
de archivos tiene implementado un hilo limpiador que explora el registro para compactarlo. Su función es buscar segmentos en el registro
de archivos que hayan sido borrados o sobre-escritos de manera que
no estén siendo apuntados por nodos-i (nodos índice).
6.2.2 Sistemas de archivos por bitácora
La idea básica de tener una bitácora es llevar un registro de lo que
va a realizar el sistema de archivos antes de hacerlo, de manera que
si ocurre una falla antes de que pueda realizar las tareas planeadas,
6.2. Tipos de sistemas de archivo
97
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
posteriormente al momento de reiniciar el sistema pueda buscar en
el registro para ver lo que estaba ocurriendo al momento de la falla
y proceder a ejecutar las tareas pendientes. Ejemplos típicos son el
sistema de archivos NTFS de Microsoft, así como los sistemas ext3 y
ReiserFs de Linux.
Al utilizar una bitácora, la recuperación de errores puede ser rápida
y segura. Este sistema está fundamentado en el concepto de bases
de datos conocido como transacción atómica. Así, se pueden agrupar varias operaciones entre un principio y fin de transacción. De
esta forma el sistema de archivos sabe que debe completar todas las
operaciones agrupadas o ninguna de ellas.
6.2.3 Sistemas de archivos virtuales
El fundamento básico es abstraer la parte del sistema de archivos que
es común para todos los sistemas de archivos y poner ese código en
una capa separada que sirva de interfaz entre el sistema operativo y
el sistema de archivos para administrar los datos. Todas las llamadas
al sistema operativo relacionadas con archivos pasan primero por el
sistema de archivos virtual para ser procesados. Estas llamadas, son
las llamadas de POSIX estándar, tales como open, read, write, lseek,
etc. Posteriormente una vez procesadas, se llama a la rutina correspondiente en el sistema operativo.
La implementación de este tipo de sistema de archivo, permite que existan varios sistemas de archivos integrados como una sola estructura,
es decir, que desde la perspectiva del usuario solo existe una jerarquía
de sistemas de archivos.
6.3 Localización de bloques
Un sistema de archivos debe dar seguimiento de cuáles bloques
pertenecen a cada archivo; deben además dar seguimiento también a
los bloques que están disponibles. Cuando se crea un nuevo archivo,
el sistema de archivos localiza un bloque disponible y lo asigna.
98
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
Cuando un archivo es borrado el sistema de archivos pone los bloques como disponibles para asignarlos posteriormente.
Las metas para lograr un buen sistema de asignación son:
• Velocidad: Asignar y liberar bloques debería ser una tarea rápida.
• Uso mínimo del espacio: Las estructuras de datos usadas por
el asignador deberían ser pequeñas, dejando tanto espacio como
sea posible para guardar datos.
• Fragmentación mínima: Si algunos bloques son dejados sin
usar, o algunos son solamente utilizados de manera parcial, al
espacio que no se utiliza se le llama fragmentación. Si se diera
el caso el sistema asignador debiera ser capaz de usar dichos
espacios o reducirlos al mínimo posible.
• Contiguidad Máxima: Aquellos datos que son utilizados al
mismo tiempo, deberían estar ubicados físicamente contiguos
en disco de ser posible para mejorar el rendimiento.
Diseñar un sistema de archivos que cumpla estos objetivos es una
tarea difícil, pues el rendimiento del mismo está ligado a las características de carga de trabajo que vaya a tener, por ejemplo el tamaño
de archivo, patrones de acceso, etc. Un sistema que ha sido diseñado
para cumplir con los requerimientos de una carga de trabajo podría no
desempeñarse bien para un carga diferente.
6.4 Métodos de localización
La naturaleza del acceso directo a los discos nos da flexibilidad en la
implementación de archivos. En la mayoría de los casos los archivos
son almacenados en el mismo disco. El problema que queda por solventar es como asignar el espacio a estos archivos de manera que
el espacio del disco sea aprovechado eficientemente y los archivos
puedan ser accesados rápidamente. A continuación se enumeran las
tres estrategias para localización de bloques.
6.4. Métodos de localización
99
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.4.1 Asignación Contigua
Este método consiste en asignarle a un archivo un conjunto de bloques contiguos en el disco. Las direcciones (identificador inequívoco
de cada bloque en disco) definen un orden lineal en el disco, es decir
las direcciones están en orden ascendente. De esta forma, asumiendo
que solamente una tarea está utilizando el disco, accesar el bloque b
+ 1 después de un bloque b no requiere movimiento de la cabeza lectora. Cuando se requiere movimiento de la cabeza (esto es pasar del
último sector de un cilindro al primer sector del siguiente cilindro), la
cabeza necesita solamente moverse una posición al siguiente cilindro.
Así, el número de búsquedas en el disco para acceder a los archivos
asignados contiguamente es mínimo, así como el tiempo para su lectura.
El problema inherente a la asignación contigua es la dificultad para
encontrar espacio para ubicar un nuevo archivo. Si bien no ocurre
cuando el disco está vacío, cuando ya hay datos suficientes será difícil encontrar un espacio contiguo completo para ubicar archivos de
gran tamaño. Como respuesta a este problema, se han utilizado las
técnicas best fit y first fit para asignar el espacio. Otros sistemas utilizan un sistema de asignación contigua modificado. Inicialmente se
localiza y asigna un trozo de espacio contiguo, luego, si el espacio no
es lo suficientemente grande, otro trozo de espacio contiguo, conocido
como extensión es añadido.
6.4.2 Asignación Enlazada
La asignación enlazada vino a solventar los problemas de la asignación contigua. Con este método el archivo se visualiza como una
lista enlazada de bloques en el disco duro sin importar si estos son
contiguos o no. El directorio es quién contiene el puntero al primer y
último bloque del archivo. Para crear un nuevo archivo, simplemente
se crea una nueva entrada en el directorio y se actualiza el puntero
final si se requiere.
Al representar los archivos como bloques dispersos, este método es
únicamente eficiente para archivos de acceso secuencial, es decir
100
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
archivos que requieran ser accesados completos de inicio a fin. Por
ejemplo, si requerimos accesar un bloque específico del archivo, tendremos que recorrer la lista enlazada para localizar este bloque, lo
cual es lento pues en cada accceso a un bloque se requiere una lectura
de disco y en ocasiones una búsqueda.
Otro inconveniente es el espacio que se requiere para almacenar los
punteros. Si un puntero necesita 4 bytes de un bloque de tamaño de
512 bytes, entonces el 0.78% del disco será utilizado por punteros
de bloques de archivo, en lugar de información. Para resolver este
inconveniente, se juntan los bloques en múltiplos, llamados clúster
y en lugar de asignarle un bloque a un archivo se le asignan grupos
de cluster. La definición del tamaño de un cluster queda a decisión
del desarrollador y de la capacidad del sistema operativo para manejarlo. De esta forma, los punteros usan un porcentaje mas pequeño
del espacio del disco.
Otra estrategia utilizada ha sido la creación de una tabla de localización de archivos o FAT, que es un conjunto específico de bloques
en disco, utilizado para almacenar todos los índices. Esta estrategia
6.4. Métodos de localización
101
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
permite facilitar el acceso directo a los archivos pues las direcciones
se buscan en la FAT que por lo general estará cargada en memoria,
de esta forma no se requiere acceso a disco para la búsqueda del bloques de archivo. Sin embargo, un problema que esto conlleva es que
a mayor tamaño de disco, mayor tamaño requerirá la FAT lo que implica que la carga en memoria será mas grande también.
6.4.3 Asignación Indexada
Dados los problemas con el método de asignación enlazada, la solución fue mantener la lista de bloques para cada archivo de manera
separada. Así, cada archivo tiene sus bloques índice que incluyen
apuntadores a los bloques de archivos en disco.
La ventaja que genera manejar la asignación de esta forma, es que
basta con traer el bloque de índices del archivo a memoria. Así podemos encontrar rápidamente el puntero al bloque b de un archivo y accederlo sin necesidad de ir bloque por bloque como en la asignación
102
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
enlazada.
Aún con las ventajas descritas el costo a pagar por ello es el espacio
extra requerido para los bloques de índices. Este problema fue resuelto posteriormente en UNIX BSD con un sistema de índices multinivel, el cuál es el utilizado actualmente en las distribuciones de Unix
y Linux. Esta idea permitió almacenar archivos pequeños sin necesidad de crear un bloque de índices.
Otras alternativas desarolladas han sido la asignación indexada enlazada y la asignación indexada conbinada. En la primera, el nodo
índice no solamente puede referenciar a bloques sino también a datos.
La asignación combinada es la combinación de la multinivel y la enlazada.
6.4. Métodos de localización
103
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
104
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.5 Directorios
Un archivo no es más que un conjunto de bytes relacionados que están en disco u otro medio, a los que se les asigna un nombre que se
utilizara para referirse a este archivo. Un directorio no es más que un
archivo común a los que se les ha impuesto una estructura particular.
Los directorios tienen información que apunta hacia la ubicación de
los archivos reales. Esta información (tanto en los archivos y directorios) junto con el nombre del creador, tamaño, permisos, etc, es
guardada en lo que se denomina TABLA DE INODOS en ciertos
tipos de sistemas operativos. El sistema de archivos crea esta tabla
que contendrá la mayoría de la información de los archivos.
Técnicamente el directorio almacena información acerca de los
archivos que contiene: como los atributos de los archivos o dónde
se encuentran físicamente en el dispositivo de almacenamiento.
En el entorno gráfico de los sistemas operativos modernos, el directorio se denomina metafóricamente carpeta y de hecho se representa
6.5. Directorios
105
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
con un icono con esta figura. Esta imagen se asocia con el ambiente administrativo de cualquier oficina, donde la carpeta de cartón
encierra las hojas de papel de un expediente.
Archivos y directorios no pueden ser diferenciados a través del nombre, sino solo a través de las herramientas del sistema operativo, las
que además muestran otras propiedades de archivos y directorios,
como fecha de creación, fecha de modificación, usuarios y grupos
de usuarios que tienen acceso o derechos al archivo o directorio.
Se le llama directorio-padre al directorio que contiene dentro de si
otros directorios para formar una jerarquía de directorios que mantenien estructurados todos los archivos propios de un programa o destinados a un propósito específico.
6.6 Concepto de directorio
Un directorio es un objeto que relaciona de forma unívoca un nombre
de archivo (dado por el usuario) con su descriptor interno, también or106
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
ganiza y proporciona información sobre la estructuración del sistema
de archivos. Un directorio puede verse como una colección de listados que contienen información acerca de los archivos. Esta es una
unidad de organización interna del sistema operativo que se utiliza
para localizar archivos.
6.7 Visión lógica de los directorios
Los directorios se caracterizan por estar organizados en un esquema
jerárquico. Las acciones principales que se pueden realizar sobre un
directorio son las siguientes:
• Crear (insertar) y borrar (eliminar) directorios.
• Abrir y cerrar directorios.
• Renombrar directorios.
• Combinar dos directorios distintos.
Cuando se pide abrir un archivo el Sistema Operativo busca el nombre
en la estructura de dicho directorio.
La organización jerárquica de un directorio:
• Simplifica el nombrado de archivos ya que se le asignan nombre
únicos que el usuario proporciona a su gusto.
• Proporciona una gestión de la distribución ya que agrupa
archivos de forma lógica y a gusto del usuario.
6.8 Estructura de los directorios
Tanto la estructura del directorio como los archivos residen en disco.
Por tanto, los directorios se suelen implementar como archivos:
• Información en un directorio: nombre, tipo, dirección, longitud
máxima y actual, tiempos de acceso y modificación, dueño, etc.
6.7. Visión lógica de los directorios
107
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Hay estructuras de directorio muy distintas. La información
depende de esa estructura.
Dos alternativas principales:
• Almacenar atributos de archivo en entrada directorio.
• Almacenar , con datos archivo en una estructura distinta. Ésta
es mejor opción.
A los usuarios les interesa la forma de nombrar sus archivos, las operaciones que pueden efectuarse en ellos, el aspecto que tiene el árbol
de directorios y cuestiones de interfaz por el estilo. A los implementadores les interesa como están almacenados los archivos y directorios,
como se administra el espacio en disco y como puede hacerse para
que todo funcione de forma eficiente y confiable.
6.9 Implementación de Directorios
Cuando se abre un archivo, el sistema operativo usa el nombre de la
ruta proporcionado por el usuario para localizar la entrada del directorio.
6.9.1 Directorios en MS-DOS
Los directorios pueden tener otros directorios, dando lugar a un sistema de archivos jerárquicos. En este sistema operativo es común que
los diferentes programas de aplicación comiencen por crear un directorio en el directorio raíz pongan ahí todos sus archivos, con objeto
que no halla conflictos entre las aplicaciones.
6.9.2 Directorios en UNIX
La estructura de directorios es extremadamente sencilla. Cuando se
abre un archivo, el sistema de archivos debe tomar el nombre que se
le proporciona y localizar sus bloques de disco.
108
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.10 Administración
Disco
del
Espacio
en
Es de interés primordial para los diseñadores de sistemas de archivos.
Hay dos posibles estrategias para almacenar un archivo de n bytes:
asignar n bytes consecutivos de espacio en disco, o dividir el archivo
en varios bloques (no necesariamente) contiguos.
Tamaño de bloque Una vez que se ha decidido almacenar archivos
en bloques de tamaño fijo, surge la pregunta de qué tamaño deben
tener los bloques. Dada la forma como están organizados los discos,
el sector, la pista y el cilindro son candidatos obvios para utilizarse
como unidad de asignación. En un sistema con paginación, el tamaño
de página también es un contendiente importante.
Administración de bloques libres Una vez que se ha escogido el
tamaño de bloque, el siguiente problema es cómo seguir la pista a
los bloques libres. Se utilizan ampliamente dos métodos.
El primero consiste en usar una lista enlazada de bloques de disco, en
la que cada bloque contiene tantos números de bloques de disco libres
como quepan en él. El mapa de bits. Un disco con n bloques requiere
un mapa de bits con n bits. Los bloques libres se representan con unos
en el mapa, y los bloques asignados con ceros (o viceversa).
6.11 Rendimiento
Archivos
del
Sistema
de
El acceso a un disco es mucho más lento que el acceso a la memoria.
La lectura de una palabra de memoria por lo regular toma decenas de
nanosegundos. La lectura de un bloque de un disco duro puede tardar
50 microsegundos. La técnica más común empleada para reducir los
accesos a disco es el caché de bloques o el caché de buffer.
6.10. Administración del Espacio en Disco
109
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.12 Organización del directorio
Se debe tener en cuenta la eficiencia, es decir, localizar un archivo
rápidamente. El nombrado de los directorios debe ser conveniente y
sencillo para los usuarios:
• Dos usuarios pueden tener el mismo nombre para archivos distintos.
• Los mismos archivos pueden tener nombres distintos.
• Nombres de longitud variable.
• Agrupación: agrupación lógica de los archivos según sus
propiedades (por ejemplo: archivos del trabajo o universidad,
juegos, etc.).
• Sencillez: la entrada de directorio debe ser lo más sencilla posible.
6.13 Estructura física del directorio
Los directorios son una tabla contigua con entradas de tamaño fijo.
Los directorios son poco flexibles. En grandes directorios la búsqueda
es lenta.
6.14 Funcionamiento del directorio
6.14.1 Compartir archivos
En los sistemas operativos multiusuario, se puede desarrollar este tipo
de actividad que he permitir a otros usuarios a accesar a los archivos
que otro usuario distribuye. Siempre que tengan los derechos de acceso.
110
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.14.2 Agrupación de registros
La ejecución de entradas y salidas, los registros se ubican en tres bloques:
6.14.3 Bloque fijo
Los registros son guardados en un bloque por su longitud fija y por un
número entero de registros, puede haber espacios sin utilizar en cada
bloque.
6.14.4 Bloque de longitud variable por tramos
Los registros son variables por su longitud y se agrupan en bloques
no se dejan espacios.
6.14.5 Bloque de longitud variable sin tramos
se usan registros de longitud variable pero no se dividen en tramos.
Casi todos los bloques hay un espacio desperdiciado ya que no se
aprovechan el espacio libre de este.
6.14.6 Gestión de almacenamiento secundario
Es responsable de asignar los bloques a los archivos, pero esto crea
dos problemas, uno es que el espacio del almacenamiento secundario
se le asigna a los archivos, segundo, es la necesidad de dejar espacios
libres para asignar de modo que estas dos tareas se relacionan entre
sí, ya que esto influye en el método de gestión del espacio libre.
6.14. Funcionamiento del directorio
111
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.15 Permisos de archivos y directorios
En cualquier sistema multiusuario, es preciso que existan métodos
que impidan a un usuario no autorizado copiar, borrar, modificar algún archivo sobre el cual no tiene permiso.
En Linux las medidas de protección se basan en que cada archivo
tiene un propietario (usualmente, el que creó el archivo). Además, los
usuarios pertenecen a uno o más grupos, los cuales son asignados por
el Administrador dependiendo de la tarea que realiza cada usuario;
cuando un usuario crea un archivo, el mismo le pertenece también a
alguno de los grupos del usuario que lo creó.
Así, un archivo en Linux le pertenece a un usuario y a un grupo, cada
uno de los cuales tendrá ciertos privilegios de acceso al archivo. Adicionalmente, es posible especificar qué derechos tendrán los otros
usuarios, es decir, aquellos que no son el propietario del archivo ni
pertenecen al grupo dueño del archivo.
En cada categoría de permisos (usuario, grupo y otros) se distinguen
tres tipos de accesos: lectura (Read), escritura (Write) y ejecución
(eXecute), cuyos significados varían según se apliquen a un archivo o
a un directorio.
En el caso de los archivos, el permiso R (lectura) habilita a quién
lo posea a ver el contenido del archivo, mientras que el permiso W
(escritura) le permite cambiar su contenido. El permiso X (ejecución)
se aplica a los programas y habilita su ejecución.
Para los directorios, el permiso R permite listar el contenido del
mismo (es decir, “leer” el directorio, mientras que el W permite borrar
o crear nuevos archivos en su interior (es decir, modificar o “escribir”
el directorio). El permiso X da permiso de paso, es decir, la posibilidad de transformar el directorio en cuestión en el directorio actual
(ver comando cd).
En los listados de directorio, los permisos se muestran como una cadena de 9 caracteres, en donde los primeros tres corresponden a los
permisos del usuario, los siguientes tres a los del grupo y los últimos,
a los de los demás usuarios. La presencia de una letra (r, w o x) indica
112
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
que el permiso está concedido, mientras que un guión (-) indica que
ese permiso está denegado.
Los permisos de un archivo o directorio pueden cambiarse desde el
administrador de archivos KFM utilizando la ventana de propiedades
o utilizando el comando chmod
6.16 Rutas de Directorios
6.16.1 Nombres de ruta
Un nombre de ruta define de manera única a un archivo o directorio
en particular especificando su ubicación. Los nombres de ruta son
similares a un mapa de caminos o a un conjunto de instrucciones que
le indican al usuario cómo ir de un lugar en la jerarquía de directorios
a otro. Por ejemplo, si el alumno le estuviera dando a alguien de otro
país instrucciones acerca de cómo llegar a él, tendría que especificar
dónde vive. Los directorios de un sistema de archivos pueden compararse a un país, estado, ciudad, etcétera. Si la Tierra fuera un disco
duro con un sistema de archivos, la consideraríamos la raíz del mismo.
Si quisiéramos identificar la ubicación de una persona para decirle a
alguien dónde vive, especificaríamos el nombre de ruta hasta llegar a
dicha persona. Utilizaríamos un nombre de ruta totalmente calificado
para que no existiera ninguna duda de que estamos hablando de esa
persona del planeta Tierra, y no de cualquier otro planeta.
6.16.2 Componentes de la ruta
Las barras dentro del nombre de ruta son delimitadoras entre nombres
de objetos. Las barras actúan como separadores. Los nombres de objetos pueden ser directorios, subdirectorios o archivos. DOS y Windows indican los directorios utilizando una barra invertida (). Todos
los sistemas de archivos UNIX utilizan una barra (/) en los nombres
de ruta. La barra se encuentra por lo general cerca de la tecla Shift
6.16. Rutas de Directorios
113
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
derecha en la mayoría de los teclados. Una barra (/) en la primera
posición de cualquier nombre de ruta representa al directorio raíz.
6.16.3 Directorio de Árbol
6.16.4 Directorio de un solo Nivel
114
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
6.16.5 Directorio de Dos Niveles
6.16.6 Directorio de Grafo Aciclico
6.16.7 Directorio de Grafo General
6.17 Glosario
• Bloque: Unidad lógica de disco duro.
6.17. Glosario
115
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
116
Chapter 6. Sistemas de archivos
Fundamentos de Sistemas Operativos, Release 1.0
• Caché: Memoria pequeña de acceso rápido que almacena los
datos usados por un periférico recientemente.
• Cluster: Conjunto de bloques.
• FAT: File Allocation Table o tabla de asignación de archivos.
• Nodo Índice: Bloque especial que almacena atributos de
archivo y punteros hacia datos o hacia otros nodos índice.
6.18 Referencias
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File System. Morgan Kaufmann Publishers INC, San Francisco
California. 1999.
• Tanenbaum Andrew. Sistemas Operativos Modernos. Tercera
Edición. PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009.
• Downey, Allen. Think OS A Brief Introduction to Operating
Systems. Green Tea Press. Needham. Massachusetts. 2014.
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Chapter 6. Sistemas de archivos