Alocarea memoriei

Atat la nivelul sistemului de operare, cat si la cel al aplicatiilor, modul in care se realizeaza alocarea memoriei are un impact puternic asupra performantei. De asemenea, alocatorul de memorie reprezinta intotdeauna o componenta critica, deoarece orice greseala de implementare poate afecta grav buna functionare a programelor. Acest pericol este amplificat de faptul ca gestiunea corecta a zonelor libere si a celor ocupate este in general un proces complex si dificil, in care erorile pot aparea relativ usor.

Alocarea memoriei in limbajele de programare

Din punct de vedere al mecanismelor oferite pentru alocarea memoriei, limbajele se impart in trei mari categorii:

a. Limbaje fara alocare dinamica

Din aceasta clasa fac parte mai ales primele limbajele de programare aparute (Fortran, Cobol, Basic etc.). Toata memoria necesara trebuie declarata si alocata de la inceput, nefiind posibile interventii ulterioare in acest sens.

b. Limbaje cu alocare/dealocare explicita

Reprezinta categoria cea mai utilizata, alocarea si dalocarea explicite fiind caracteristice limbajelor clasice - Pascal, C, C++ etc. Alocarea dinamica (la momentul executiei) a unor zona de memorie se realizeaza prin apelul unor functii de biblioteca specializate. Ca o consecinta, implementarea alocarii este puternic dependenta de compilator, mai exact de bibliotecile de functii care il insotesc. Principala problema o reprezinta riscul relativ ridicat de aparitie a erorilor ca urmare a greselilor de programare, deoarece o parte din gestiune cade in sarcina programatorului.

c. Limbaje cu colectare de gunoaie (garbage collection)

Intr-un asemenea limbaj nu este necesar ca utilizatorul sa dealoce explicit memoria, aceasta actiune cazand in sarcina unui modul runtime care ruleaza in paralel cu programul si determina care zone alocate nu mai sunt folosite si pot fi eliberate. Rezulta ca mecanismul de colectare de gunoaie poate fi intalnit mai mult la unele limbaje interpretate, deoarece limbajele compilate exclud prezenta modulelor runtime. Exista doua limbaje mai importante in aceasta clasa: Java, care are o structura mai clasica, si Lisp, care nu prezinta alocare statica, iar alocarea dinamica este realizata automat pentru toate variabilele, nefiind necesara o functie explicita in acest sens (asa cum este cazul in Java).

Principalul avantaj al colectarii de gunoaie il constituie eliminarea aparitiei erorilor de programare de tipul accesului la zone de memorie nealocate. In schimb, eficienta este mai

redusa: colectorul de gunoaie nu poate elibera o anumita zona decat daca stie cu certitudine ca nu va mai fi folosita, ceea ce de multe ori nu este posibil. Din acest motiv, de multe ori raman alocate zone care nu mai sunt utilizate.

Caracteristicile alocatoarelor

Exista o serie de cerinte impuse unui alocator pentru ca performanta acestuia sa fie la nivelul dorit. Urmatoarele caracteristici sunt considerate importante:

timpul maxim care poate fi consumat pentru o operatie; uneori cererile de alocare trebuie deservite intr-un timp foarte scurt, motiv pentru care durata maxima necesara unei operatii de alocare trebuie sa fie cat mai mica

timpul mediu - se refera la performanta globala a sistemului; daca durata unei operatii de alocare poate varia semnificativ in functie de diversi factori, este de dorit ca situatiile care consuma mult timp sa apara cat mai rar

gradul de fragmentare - in functie de algoritmii aplicati de alocator, poate aparea fragmentare interna sau externa; acest fenomen este cu atat mai deranjant, cu cat aici nu se poate realiza compactarea memoriei libere, pentru ca adresele referite prin program ar deveni incorecte

dimensiunea spatiului de memorie ocupat de alocator pentru propriile structuri de date; deoarece acest spatiu nu este utilizabil de catre programe, reducand cantitatea de memorie disponibila pentru acestea, este de dorit sa fie cat mai mic

simplitatea in utilizare - presupune existenta unor functii de alocare si eliberare a memoriei cat mai usor de folosit (un bun exemplu in acest sens fiind limbajul C, cu perechea malloc/free); limbajele cu colectare de gunoaie sunt ideale in acest sens

Tipuri de alocare de memorie in nucleul sistemului de operare

1. Alocare statica

Toate zonele de memorie necesare trebuie alocate de la inceput. Situatia este similara celei a limbajelor fara alocare dinamica, prezentate anterior. Solutia este lipsita de felxibilitate, ingreunand gestiunea memoriei. In plus, exista situatii care nu pot fi rezolvate astfel. De exemplu, la lansarea in executie a unui program, incarcarea sa in memorie este o problema de alocare dinamica, deoarece acesta va fi plasat in memoria fizica acolo unde se gaseste loc liber.

2. Alocatorul cu harta de resurse

Evidenta zonelor de memorie libere si ocupate este tinuta cu ajutorul unui tablou, numit harta de resurse. Pentru fiecare zona de memorie exista o intrare in tabel, continand urmatoarele informatii:

o adresa de inceput o dimensiunea o starea (liber/ocupat)

Atunci cand se realizeaza o noua alocare, se parcurge harta de resurse si se alege zona libera cea mai potrivita. Se pot utiliza algoritmii studiati la segmentarea memoriei: First Fit, Best Fit, Worst Fit.

Alocatorul cu harta de resurse este foarte simplu in conceptie. De asemenea, zonele libere adiacente pot fi concatenate intr-o singura zona mai mare. Dezavantajul principal il constituie spatiul suplimentar ocupat de harta de resurse, care poate deveni inacceptabil, mai ales atunci cand gradul de fragmentare (externa) este mare. In plus, timpul consumat pentru cautare este relativ mare, deoarece trebuie parcurse toate zonele, inclusiv cele ocupate. In sfarsit, memorarea hartii de resurse sub forma unui tablou face gestiunea sa mai dificila atunci cand trebuie inserate noi intrari sau sterse intrari existente.

Pentru a elimina primul dintre aceste neajunsuri, se poate utiliza o forma modificata, in care fiecare zona contine, pe langa datele efective, si propria dimensiune. In acest fel se memoreaza mai putine informatii in harta de resurse. Castigul apare in cazul zonelor libere, la care memorarea dimensiunii chiar in interiorul zonei nu implica nici un consum de memorie, in afara cazului in care zona libera este mai mica decat 4 octeti, cat este necesar pentru a memora dimensiunea. Celelalte probleme raman insa valabile.

3. Alocatorul cu lista

Este o varianta a alocatorului cu harta de resurse. In acest caz, fiecare zona libera contine nu numai propria dimensiune, ci si adresa de inceput a urmatoarei zone libere, formandu-se astfel o lista. Astfel, dimensiunea hartii de resurse este semnificativ redusa, deoarece vor trebui retinute de alocator numai informatiile despre zonele ocupate si adresa de inceput a primei zone libere. In schimb, dimensiunea minima a unei zone libere este de 8 octeti (pentru a putea retine atat propria dimensiune, cat si adresa de inceput a urmatoarei zone libere), ceea ce poate fi deranjant, iar timpul de raspuns ramane la fel de mare.

4. Alocatorul cu puteri ale lui 2

Viteza mica de raspuns a variantelor precedente este data de necesitatea de a cauta intre zonele libere una de dimensiune potrivita. O solutie este de a permite ca zonele de memorie sa aiba numai anumite dimensiuni, mai exact puteri ale lui 2. Alocatorul mentine mai multe liste, fiecare continand zonele libere de o anumita dimensiune, in timp ce fiecare zona ocupata contine si propria dimensiune. Astfel, atunci cand apare o cerere pentru o noua zona de memorie de o anumita marime, este imediat servita din lista cu zonele libere avand ca dimensiune puterea lui 2 imediat superioara. Daca o asemenea lista devine vida, se poate sparge o zona din lista superioara.

Deoarece este eliminata cautarea, timpul de raspuns este mult redus. In schimb se pierde multa memorie prin fragmentare interna, pentru ca aproape intotdeauna se aloca mai multa memorie decat s-a cerut. Problema este cu atat mai serioasa cu cat nucleul contine o serie de structuri a caror dimensiune este o putere a lui 2; deoarece trebuie memorata si dimensiunea zonei ocupate, se va aloca de fapt o zona de marime dubla, astfel incat risipa

de memorie este majora. Un alt dezavantaj il constituie imposibilitatea de a concatena doua zone libere adiacente, in afara cazului cand au aceeasi dimensiune.

5. Alocatorul Karels-McKusick

Dupa cum se observa, principala problema practica a alocatorului cu puteri ale lui 2 provine din necesitatea de a memora lungimea unei zone ocupate chiar in cadrul zonei respective. Alocatorul Karels-McKusick este o varianta imbunatatita tocmai in acest sens.

Ideea este ca fiecare pagina de memorie sa contina numai zone de aceeasi dimensiune (evident, putere a lui 2). Concret, alocatorul mentine un tabel care contine cate un element pentru fiecare pagina de memorie. Fiecare element retine dimensiunea zonelor de memorie din pagina corespunzatoare. In acest mod, structurile de date de dimensiune putere a lui 2 nu vor mai genera fragmentare interna. Se consuma spatiu suplimentar pentru tabel, insa pe ansamblu economia de memorie este susbstantiala. In rest, alocatoarele cu puteri ale lui 2 si Karels-McKusick sunt similare, avand aceleasi avanataje si dezavantaje.