Memória virtual

Cada processo acredita que tem gigabytes de memória contígua só para si, mesmo quando a máquina tem menos RAM do que a soma do que os processos pedem. A memória virtual é a ilusão que o SO e o hardware mantêm juntos: cada processo vê um espaço de endereçamento privado, e o sistema traduz cada endereço virtual para o sítio físico real. Recorda a hierarquia de memória e a ponte das caches: a paginação é o nível seguinte da mesma ideia.

O modelo de memória do processo

O espaço virtual de um processo Linux típico organiza-se de baixo para cima: código e dados fixos, a área livre (heap) a crescer para cima com o malloc, e a pilha (stack) a crescer para baixo a cada chamada de função. Entre as duas fica espaço livre para crescerem. Este mapa é igual em todos os processos, o que simplifica o compilador e o carregador. A igualdade é possível porque os endereços são virtuais: dois processos usam o mesmo endereço virtual para coisas físicas completamente diferentes.

Paginação

A paginação divide o espaço virtual em blocos de tamanho fixo, as páginas (tipicamente 4 KiB), e a memória física em blocos do mesmo tamanho, as molduras. Cada processo tem uma tabela de páginas que diz, para cada página virtual, em que moldura física ela está, ou se está no disco (swap) ou se ainda não existe. O hardware traduz cada acesso automaticamente: separa o endereço virtual em número de página e deslocamento dentro da página, consulta a tabela e junta a moldura com o deslocamento.

Traduzir um endereço, passo a passo

Toma páginas de 4 KiB, ou seja, $2^{12}$ bytes. O deslocamento ocupa os 12 bits baixos do endereço, e o resto é o número da página. Traduz o endereço virtual 0x1A3F5:

1. Separa os 12 bits baixos: 0x1A3F5 termina em 3F5, por isso o deslocamento é 0x3F5 e o número da página é 0x1A.
2. Consulta a tabela de páginas na entrada 0x1A. Supõe que ela diz moldura 0x07, presente em memória.
3. Junta a moldura com o deslocamento: endereço físico 0x073F5.

Três pormenores que os exercícios adoram testar. Primeiro, o deslocamento passa intacto: só a página é traduzida. Segundo, se a entrada disser que a página está no disco, o hardware levanta uma falta de página, o SO traz a página do swap para uma moldura livre e repete o acesso. Terceiro, a tradução acontece em cada acesso, por isso o hardware guarda as traduções recentes numa cache própria, o TLB; sem ele, cada acesso à memória custaria dois.

Segmentação e proteção

Antes da paginação dominar, a segmentação dividia o espaço em blocos de tamanho variável com significado lógico: código, dados, pilha. Cada acesso verificava limites e permissões do segmento. Os sistemas modernos usam paginação para a tradução e guardam da segmentação a ideia essencial: cada página tem permissões (leitura, escrita, execução) e o hardware recusa acessos ilegais. É por isso que escrever numa zona de código ou dereferenciar um apontador inválido termina o processo com falha de segmentação em vez de corromper outro programa. A proteção entre processos, que o C avançado prometeu, é implementada aqui.

Para levar para a próxima página

A memória virtual dá a cada processo um espaço privado e protegido. Falta persistir dados para além da vida do processo: ficheiros, discos e dispositivos, que vivem nos ficheiros e na entrada e saída.