Stallings cap. 7 · Gestión de memoria (completo + apéndice 7A)

💡 En simple

La RAM es como un estacionamiento que comparten muchos autos (procesos). El capítulo 7 cuenta cómo se fue mejorando la forma de repartirlo:

1. Particiones fijas: cajones de tamaño fijo, donde un auto chico desperdicia el cajón.
2. Dinámicas: cajones a la medida, pero con el tiempo quedan huecos sueltos.
3. Paginación: cortar cada auto en piezas iguales que van en cualquier cajón libre.
4. Segmentación: cortarlo en piezas con significado (código, datos, pila).

En este capítulo todo el proceso sigue en memoria; el cap. 8 da el salto de cargar solo una parte.

Qué entra del cap. 7

Todo el capítulo, apéndice incluido. Las cuentas de bits, la traducción y el traductor interactivo están en Particiones, Segmentación y Paginación. Esta página es la teoría del libro, que es de donde salen las preguntas teóricas.

🎯 Al terminar podrás

1. Enumerar los 5 requisitos de la gestión de memoria y relacionar cada uno con un mecanismo.
2. Comparar particiones fijas, dinámicas, buddy, paginación y segmentación por su tipo de fragmentación.
3. Explicar los tipos de dirección (lógica, relativa, física) y la carga y el enlace del apéndice 7A.
4. Responder de memoria las Review Questions 7.1–7.9.

Antes necesitas: Particiones, segmentación y paginación (con práctica)

• Feynman explícalo en voz alta sin mirar y compara con la lista
• Examen cronométrate y no abras la solución hasta terminar

Cómo leer el capítulo sin que se te olvide

1. Antes de cada sección, lee solo su título y escribe una pregunta que creas que responde (por ejemplo, «¿por qué el banquero exige conocer los máximos?»).
2. Lee la sección buscando esa respuesta.
3. Cierra la página y escribe la idea central en dos líneas.
4. Al final, responde las Review Questions sin mirar y recién después abre cada respuesta.

Releer subrayando da sensación de dominio, pero recuperar la idea de memoria es lo que la fija para la parte teórica del LC3.

7.1 Requisitos de la gestión de memoria 📌

Son cinco: relocalización, protección, compartición, organización lógica y organización física.

Requisito	Qué significa	Detalle que se pregunta
Relocalización	No se sabe de antemano dónde quedará el programa, y el swap puede devolverlo a otro lugar	El hardware y el SO deben traducir las referencias del código (saltos, datos) a direcciones físicas reales
Protección	Ningún proceso debe leer o escribir la memoria de otro (ni la del SO) sin permiso	No se puede verificar al compilar: no se sabe dónde quedará el programa y las direcciones se calculan en ejecución (índices, punteros). Por eso la verifica el procesador (hardware) en cada acceso, no el SO
Compartición	Permitir acceso controlado a zonas comunes	Varios procesos que corren el mismo programa comparten una copia; procesos que cooperan comparten estructuras
Organización lógica	La memoria es lineal, pero los programas se escriben en módulos	Ventajas de manejar módulos: se compilan por separado, tienen distinta protección (solo lectura o solo ejecución) y se comparten por módulo. La herramienta que mejor lo cumple es la segmentación
Organización física	Dos niveles: principal (rápida, cara, volátil) y secundaria (lenta, barata, persistente)	Mover datos entre ambos niveles no puede quedar en manos del programador: los overlays le hacen perder tiempo y además no sabe cuánto espacio tendrá. Es responsabilidad del sistema

Matiz que el libro repite: los mecanismos que dan relocalización también dan protección y compartición. Al mismo tiempo, la relocalización dificulta la protección, porque las direcciones ya no son predecibles.

7.2 Particionamiento

Tabla 7.2 · Las técnicas del cap. 7 y el 8 📌

Técnica	Descripción	Ventajas	Desventajas
Particiones fijas	Particiones estáticas, definidas al generar el sistema	Simple, poco overhead del SO	Fragmentación interna; número máximo de procesos activos fijo
Particiones dinámicas	Se crean a la medida exacta de cada proceso	Sin fragmentación interna, mejor uso de memoria	Necesita compactación (gasta CPU) por la fragmentación externa
Paginación simple	Frames iguales; las páginas del proceso van en frames no contiguos; se cargan todas	Sin fragmentación externa	Un poco de fragmentación interna
Segmentación simple	Segmentos de distinto tamaño en particiones dinámicas no contiguas; se cargan todos	Sin fragmentación interna; mejor que las dinámicas	Fragmentación externa
Paginación con MV	Como la simple, pero no hace falta cargar todas las páginas	Sin fragmentación externa, más multiprogramación, espacio virtual grande	Overhead de una gestión compleja
Segmentación con MV	Como la simple, pero no hace falta cargar todos los segmentos	Sin fragmentación interna, más multiprogramación, espacio grande, protección y compartición	Overhead de una gestión compleja

Particiones fijas

Iguales: cualquier proceso que quepa entra en cualquier partición libre. Tienen dos problemas:

1. Un programa más grande que la partición necesita overlays.
2. Uso muy ineficiente: un programa de 2 MB ocupa una partición de 8 MB. Eso es la fragmentación interna (espacio perdido dentro de la partición).

Desiguales (figura 7.2b): reducen ambos problemas pero no los resuelven. Hay dos formas de asignar:

	Una cola por partición (7.3a)	Una sola cola (7.3b)
Regla	cada proceso va a la partición más chica donde cabe	se elige la partición libre más chica que lo contenga
Ventaja	minimiza la fragmentación interna de cada partición	mejor para el sistema completo
Problema	una partición grande puede quedar vacía mientras otros esperan	—

Desventajas generales:

• el número de particiones limita los procesos activos;
• los trabajos pequeños aprovechan mal el espacio.

Hoy casi no se usan. El ejemplo del libro es OS/MFT de IBM.

Cómo leerlo: las particiones son las de la figura 7.2 del libro; los tres procesos (2, 5 y 7 MB) son un ejemplo propio. Verde es lo que el proceso usa y lo rayado, lo que se pierde dentro de su partición. Con particiones desiguales, cada proceso cae en una más ajustada y se pierde mucho menos.

Particiones dinámicas

• Cada proceso recibe exactamente lo que necesita. El ejemplo del libro es OS/MVT de IBM.
• Con el tiempo quedan muchos huecos pequeños entre particiones: fragmentación externa.
• Compactación: el SO mueve los procesos para juntar todo el espacio libre. Consume tiempo de CPU y exige relocalización dinámica.

Placement 📌:

Algoritmo	Cómo elige	Lo que dice el libro
First-fit	el primer bloque libre suficiente desde el inicio	El más simple y, por lo general, el mejor y más rápido. Puede llenar el inicio de fragmentos pequeños
Next-fit	el siguiente bloque suficiente desde la última asignación	Algo peor que first-fit: rompe rápido el bloque grande del final y obliga a compactar más
Best-fit	el bloque de tamaño más cercano al pedido	Pese a su nombre, suele ser el peor: deja fragmentos diminutos inútiles y obliga a compactar más seguido

En el ejemplo de la figura 7.5, un pedido de 16 MB con la última asignación hecha en un bloque de 14 MB deja:

• best-fit: un fragmento de 2 MB (usa el bloque de 18 MB);
• first-fit: un fragmento de 6 MB;
• next-fit: un fragmento de 20 MB.

Cómo leerlo: la fila es la memoria y los números, los bloques libres en MB. First-fit recorre desde la izquierda y se queda con el primero que alcanza (22). Best-fit revisa todos y elige el más ajustado (18). Next-fit parte desde la última asignación (14) y sigue hacia la derecha hasta el de 36.

Reemplazo: si todos los procesos en memoria están bloqueados y no hay espacio ni compactando, se hace swap de alguno. El tema se desarrolla en el cap. 8.

Buddy system

Es un compromiso entre las particiones fijas y las dinámicas.

• Los bloques miden $2^K$, con $L \le K \le U$: $2^L$ es el bloque más chico y $2^U$ normalmente toda la memoria.
• Asignar s: si $2^{U-1} < s \le 2^U$ se da el bloque entero. Si no, se divide en dos buddies de $2^{U-1}$, y así sucesivamente hasta el bloque más chico que sea ≥ s.
• Liberar: si los dos buddies de un par quedan libres, se fusionan en el bloque de tamaño $2^{i+1}$.
• Árbol (figura 7.7): si dos buddies son hojas, al menos uno está asignado; si no, ya se habrían fusionado.
• Ejemplo del libro: 1 MB inicial y A pide 100 KB, así que recibe 128 KB (1 MB → 512 → 256 → 128).

Cómo leerlo: cada división parte un bloque en dos buddies iguales. Se divide por la rama izquierda hasta llegar a 128 KB, el bloque más chico que contiene 100 KB. Los buddies grises quedan libres para otros pedidos y se fusionarán con su pareja cuando A se libere.

• Dónde se usa: en sistemas paralelos, en una variante para el kernel de UNIX (el lazy buddy del cap. 8) y en la asignación de páginas de Linux.

Practica con el simulador de Particiones.

Relocalización: tipos de dirección 📌

Dirección	Definición del libro
Lógica	Referencia independiente de dónde están los datos en memoria; hay que traducirla antes del acceso
Relativa	Un caso de dirección lógica: se expresa respecto a un punto conocido, normalmente un registro (el inicio del programa)
Física (absoluta)	La ubicación real en la memoria principal

Hardware de la figura 7.8:

• Al pasar a Running se cargan dos registros: el base (dirección de inicio) y el límite (bounds, dirección final).
• En cada referencia relativa: (1) base + relativa = absoluta; (2) se compara con el límite. Si está fuera, hay una interrupción al SO.
• Así se logra la relocalización (el swap puede devolver el proceso a otro lugar) y la protección (cada imagen queda aislada por base y límite).

Cómo leerlo: el programa solo conoce direcciones relativas. El hardware les suma la base y revisa que el resultado no pase el límite. Para mover el proceso basta con cargar otra base; el programa no cambia.

7.3 Paginación simple

• La memoria se divide en frames pequeños de tamaño fijo, y el proceso en páginas del mismo tamaño.
• Sin fragmentación externa; solo hay fragmentación interna en la última página del proceso.
• Las estructuras:
  • una tabla de páginas por proceso, con una entrada por página que dice el frame;
  • una lista de frames libres para todo el sistema.
• Ejemplo de la figura 7.9: el proceso D tiene 5 páginas y entra en los frames 4, 5, 6, 11 y 12, aunque no estén contiguos.
• Paginación vs particiones fijas: se parecen, pero en la paginación las particiones son pequeñas, un programa ocupa varias y estas no necesitan ser contiguas.

Cómo leerlo: las páginas de un proceso caen en marcos sueltos de la memoria física; la tabla de páginas recuerda dónde quedó cada una.

Por qué la página es potencia de 2:

1. La dirección lógica (página, offset) es idéntica a la relativa, así que el esquema es transparente para el programador, el ensamblador y el linker.
2. Es fácil hacer la traducción en hardware.

Traducción con n bits de página y m de offset:

1. tomar los n bits de la izquierda como número de página;
2. indexar la tabla y obtener el frame k;
3. la dirección física es $k \cdot 2^m$ + offset, es decir, se concatena el frame con el offset (no hace falta sumar).

Ejemplo de la figura 7.11: dirección relativa 1502 con páginas de 1 KB y 16 bits.

• Se parte en 6 bits de página (máximo 64 páginas) y 10 de offset.
• 1502 = 000001 0111011110, es decir página 1, offset 478.
• Si la página 1 está en el frame 6, la física es 000110 0111011110.

7.4 Segmentación simple

• Los segmentos tienen tamaños distintos (con un máximo). La dirección es (segmento, offset).
• Se parece a las particiones dinámicas, pero el programa ocupa varias particiones que no tienen que ser contiguas.
• Sin fragmentación interna, con fragmentación externa (menor que con particiones dinámicas, porque los trozos son más chicos).
• Visibilidad: la paginación es invisible para el programador; la segmentación suele ser visible y sirve para organizar programas y datos. El inconveniente es que el programador debe conocer el tamaño máximo de segmento.
• Tabla de segmentos por proceso: cada entrada guarda la base y la longitud. Al pasar a Running, la dirección de la tabla se carga en un registro.

Cómo leerlo: el número de segmento elige la fila de la tabla; el offset se compara con la longitud y, si cabe, se suma a la base.

Traducción con n bits de segmento y m de offset:

1. tomar los n bits de la izquierda como número de segmento;
2. indexar la tabla y obtener la base;
3. si offset ≥ longitud, la dirección es inválida;
4. física = base + offset (aquí sí se suma).

Ejemplo de la figura 7.11c: 4 bits de segmento y 12 de offset, así que el segmento máximo es $2^{12}$ = 4096 B.

• 0001 001011110000 es segmento 1, offset 752.
• Con base 0010000000100000, la física es 0010001100010000.

Apéndice 7A · Carga y enlace

Carga 📌

Tipo	Cómo funciona	Limitación
Absoluta	El módulo siempre se carga en la misma dirección; todas sus referencias son absolutas	Hay que decidir la ubicación de antemano. Si las fija el programador, todos deben conocer la estrategia de ubicación y cualquier cambio obliga a reescribir las direcciones. Es mejor usar símbolos y resolverlos al compilar
Relocalizable	El compilador genera direcciones relativas al inicio (0); el cargador suma x a cada referencia	Usa el diccionario de relocalización, que indica dónde están las referencias. No sirve con swap: ya quedó atado a un lugar
Dinámica en ejecución	El módulo se carga con referencias relativas, y la dirección absoluta se calcula al ejecutar cada instrucción, en hardware	Flexibilidad total: se puede hacer swap a otra ubicación

Tabla 7.3 · Momento del enlace (binding) 📌

(a) El cargador: ¿cuándo se fija la dirección física?

Momento	Qué pasa
Programación	el programador escribe direcciones físicas
Compilación o ensamblado	el compilador convierte símbolos en direcciones físicas
Carga	el compilador da direcciones relativas y el cargador las convierte
Ejecución	el programa conserva direcciones relativas y el hardware las convierte

Cómo leerlo: cuanto más a la derecha ocurre la traducción, más flexible es. Solo si se hace en ejecución el SO puede sacar un proceso a disco y devolverlo a otra zona de memoria.

(b) El enlazador: ¿cuándo se resuelven las referencias externas?

Momento	Qué pasa
Programación	no hay referencias externas; el programador incluye el código de todo
Compilación	el ensamblador trae y ensambla todo junto
Creación del módulo de carga	se enlazan los módulos objeto con direcciones relativas al origen del módulo de carga
Carga	las referencias se resuelven al cargar, agregando los módulos dinámicos
Ejecución	se resuelven cuando se ejecuta la llamada: se interrumpe y se enlaza el módulo

Enlace

• El linker toma módulos objeto (con referencias simbólicas entre ellos) y genera un solo módulo de carga.
• Un linker que produce un módulo relocalizable se llama linkage editor (editor de enlace).
• Enlace dinámico: se posterga el enlace de algunos módulos externos hasta después de crear el módulo de carga.

En la carga (load-time) tiene tres ventajas sobre el estático:

1. Es más fácil actualizar el módulo destino sin re-enlazar la aplicación (el software comercial se vende ya enlazado).
2. Permite compartir código automáticamente: una sola copia para varias aplicaciones.
3. Facilita que terceros extiendan el SO.

En ejecución (run-time):

• La referencia se resuelve cuando se llama al módulo ausente. En Windows son las DLL.
• Si otro proceso ya cargó el módulo, el nuevo se enlaza a esa copia.
• DLL hell: dos procesos comparten una DLL pero esperan versiones distintas (por ejemplo, una reinstalación trae una versión vieja).
• Ventaja extra: solo se reserva memoria para los módulos que de verdad se usan, como en transacciones de una aerolínea o de un banco. Sirve de apoyo a los sistemas segmentados.

Términos clave del capítulo

absolute loading · buddy system · compaction · dynamic linking · dynamic partitioning · dynamic run-time loading · external fragmentation · fixed partitioning · frame · internal fragmentation · linkage editor · linking · loading · logical address · logical organization · memory management · page · page table · paging · partitioning · physical address · physical organization · protection · relative address · relocatable loading · relocation · segment · segmentation · sharing

Review Questions 7.1–7.9 (resueltas)

7.1 · ¿Qué requisitos debe satisfacer la gestión de memoria?

Relocalización, protección, compartición, organización lógica y organización física.

7.2 · ¿Por qué es deseable poder relocalizar procesos?

• El programador no sabe qué otros programas estarán en memoria ni dónde quedará el suyo.
• Para aprovechar mejor el procesador se hace swap, y obligar a que el proceso vuelva a la misma zona sería muy limitante: debe poder ir a cualquier lugar libre.
• La compactación también mueve procesos.

7.3 · ¿Por qué no se puede garantizar la protección al compilar?

Por dos razones:

1. No se sabe dónde quedará el programa en memoria (relocalización).
2. Muchos lenguajes calculan direcciones en ejecución (índices de arreglos, punteros).

Por eso cada referencia se debe verificar al ejecutarse, y lo hace el hardware: revisar todo de antemano sería imposible o demasiado costoso.

7.4 · ¿Por qué permitir que dos o más procesos accedan a una misma región?

• Si varios procesos ejecutan el mismo programa, conviene que compartan una copia en vez de tener una cada uno.
• Procesos que cooperan en una tarea necesitan compartir una estructura de datos.
• Las bibliotecas compartidas son otro ejemplo.

7.5 · Ventajas de las particiones fijas de tamaño desigual

• Caben programas más grandes sin overlays (por ejemplo, de hasta 16 MB).
• Las particiones pequeñas reducen la fragmentación interna de los programas chicos.

Es decir, hay más flexibilidad manteniendo la simplicidad y el bajo overhead.

7.6 · Diferencia entre fragmentación interna y externa

• Interna: espacio perdido dentro de un bloque asignado, porque lo cargado es más chico que el bloque (particiones fijas, última página).
• Externa: espacio libre entre bloques asignados, partido en huecos demasiado pequeños para usarse (particiones dinámicas, segmentación). Se combate con compactación.

7.7 · Distinción entre direcciones lógicas, relativas y físicas

• Lógica: independiente de la ubicación actual en memoria; requiere traducción.
• Relativa: un tipo de lógica, expresada respecto a un punto conocido, normalmente el inicio del programa guardado en un registro.
• Física o absoluta: la ubicación real en la memoria principal.

7.8 · Diferencia entre página y frame

• La página es un trozo de tamaño fijo del proceso (memoria lógica).
• El frame es un trozo del mismo tamaño de la memoria principal (física), donde se carga una página.

7.9 · Diferencia entre página y segmento

	Página	Segmento
Tamaño	fijo, igual al frame	variable (con un máximo)
Visibilidad	invisible para el programador	visible: el programador o el compilador decide
Fragmentación	interna	externa
Dirección física	frame concatenado con el offset	base + offset (se verifica la longitud)
Significado	ninguno	lógico: código, datos, pila, módulos

Autoevaluación del capítulo

Cap. 7 según el libro

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1. ¿Quién debe verificar la protección de memoria según Stallings?

a) El compiladorb) El sistema operativo antes de cargarc) El procesador (hardware), en cada referencia al ejecutarsed) El linker

2. La herramienta que mejor satisface la organización lógica es…

a) la paginaciónb) la segmentaciónc) el buddy systemd) el overlay

3. Según el libro, el algoritmo de placement que suele rendir peor es…

a) first-fitb) next-fitc) best-fit, porque deja fragmentos diminutos inútilesd) worst-fit

4. El que suele ser el más simple, rápido y mejor es…

a) first-fitb) next-fitc) best-fitd) buddy

5. Next-fit tiende a obligar a compactar más porque…

a) busca desde el iniciob) rompe rápido el bloque libre grande que suele estar al final de la memoriac) deja fragmentos de 0 bytesd) no usa lista de huecos

6. Un sistema con particiones fijas iguales sufre de…

a) fragmentación externab) fragmentación interna y límite fijo de procesos activosc) thrashingd) DLL hell

7. Con buddy y 1 MB libre, un pedido de 100 KB recibe…

a) 100 KBb) 128 KBc) 256 KBd) 512 KB

8. En un árbol buddy, dos buddies hoja…

a) pueden estar ambos libresb) tienen al menos uno asignado (si no, se habrían fusionado)c) están ambos asignadosd) son de distinto tamaño

9. Los registros base y límite permiten…

a) solo protecciónb) solo relocalizaciónc) relocalización dinámica y protecciónd) paginación

10. ¿Por qué la página es potencia de 2?

a) Por el discob) Para que la dirección lógica (página, offset) sea igual a la relativa y la traducción sea fácil en hardwarec) Para evitar la fragmentación internad) Para que quepa en la TLB

11. La carga relocalizable no sirve con swap porque…

a) no tiene diccionario de relocalizaciónb) las direcciones quedan fijadas al cargar; si vuelve a otra zona, quedan malc) usa direcciones absolutas al compilard) requiere DLL

12. Un linker que produce un módulo de carga relocalizable se llama…

a) loaderb) linkage editorc) dynamic linkerd) relocation dictionary

13. DLL hell ocurre cuando…

a) dos procesos comparten una DLL pero esperan versiones distintasb) una DLL no se encuentrac) hay deadlock entre DLLd) la DLL es muy grande

14. En segmentación simple, la dirección física se obtiene…

a) concatenando el segmento con el offsetb) sumando la base y el offset, tras verificar offset < longitudc) con un hashd) con la TLB

🗣️ Explícalo tú (Feynman)

Explica cómo evolucionó la gestión de memoria desde las particiones fijas hasta la paginación, diciendo qué problema resuelve cada paso y cuál deja.

Dilo en voz alta o escríbelo en 4–5 líneas, sin mirar la página. Después revisa qué te faltó.

Tu explicación debería mencionar…

• Fijas: simples, pero con fragmentación interna y un número máximo de procesos.
• Dinámicas: sin interna, pero con fragmentación externa, que obliga a compactar.
• Buddy: un compromiso; bloques potencia de 2 que se parten y fusionan rápido.
• Paginación: cualquier marco sirve, así que no hay externa; la interna se limita a la última página.
• Segmentación: refleja la estructura del programa (protección y compartición), pero vuelve la externa.

📈 ¿Qué tan bien lo dominas?

Elige pensando en lo que hiciste, no en lo que leíste. Para marcar 3 tienes que haber resuelto un ejercicio nuevo sin pistas y haberlo justificado. Si solo lo leíste y sientes que «ya entendí», todavía es un 1.

0No lo reconozco o lo confundo con otro tema1Lo entiendo leyendo, pero no lo aplico solo2Resuelvo ejercicios parecidos a los vistos, con alguna pista3Resuelvo uno nuevo sin ayuda y justifico cada paso4Lo transfiero: comparo alternativas y veo casos límite

Fuente ·Stallings, Operating Systems 9e, cap. 7 completo (§7.1–7.6) y apéndice 7A · Indicaciones del LC3: lectura recomendada