Способи виділення пам’яті під новий розділ. Їх переваги і недоліки

 

Загальноприйнята в даний час концепція віртуальної пам'яті з'явилася досить давно. Вона дозволила вирішити цілий ряд актуальних питань організації обчислень. Насамперед до числа таких питань відноситься забезпечення надійного функціонування мультипрограмних систем.

У будь-який момент часу комп'ютер виконує безліч процесів чи задач, кожна з яких має свій власний адресний простір. Тому необхідний механізм поділу невеликої фізичної пам'яті між різними задачами. Віртуальна пам'ять є одним зі способів реалізації такої можливості. Вона поділяє фізичну пам'ять на блоки і розподіляє їх між різними задачами. При цьому вона передбачає також деяку схему захисту, що обмежує задачу тими блоками, що їй належать.

Крім того, віртуальна пам'ять спрощує також завантаження програм, забезпечуючи механізм автоматичного переміщення програм, що дозволяє виконувати ту саму програму в довільному місці фізичної пам'яті.

З іншого боку існує поняття фізичної оперативної пам’яті, власне з якою і працює процесор, витягаючи з неї команди і дані і поміщаючи в неї результати обчислень.

Фізична пам’ять – це впорядкована множина комірок, що пронумеровані, тобто до кожної з них можна звернутись, вказавши її адресу. При цьому кількість комірок фізичної пам’яті обмежена і фіксована.

Системне програмне забезпечення повинно зв’язувати кожне ім’я, що вказане користувачем, з фізичною коміркою, тобто здійснювати відображення імен на фізичну пам’ять комп’ютера.

			Логічне (символьне) ім’я

 

Простір імен програми

 

 

Комірка оперативної пам’яті (фізична адреса)

Фізична пам’ять комп’ютера

 

 

Рис.1. Пам’ять і відображення

 

В загальному випадку відображення відбувається в два етапи: спочатку системою програмування, після чого операційною системою (використовуючи спеціальні модулі управління пам’яттю і відповідні засоби обчислювальної системи.) Між цими етапами звертання до пам’яті мають форму віртуальної або логічної адреси. При цьому можна сказати, що множина всіх допустимих значень віртуальної адреси для деякої програми визначають її віртуальний адресний простір або віртуальну пам’ять. Віртуальний адресний простір насамперед залежить від архітектури процесора і від системи програмування, при цьому практично не залежить від реального об’єму фізичної пам’яті комп’ютера.

Термін віртуальна пам’ять фактично відноситься до систем, які зберігають віртуальні адреси під час виконання. Так як друге відображення здійснюється в процесі виконання задачі, то адреси фізичних комірок можуть змінюватися.

Просте неперервне розподіленння і

розподілення з перекриттям (оверлейні структури)

Просте неперервне розприділенння - це найпростіша схема, відповідно до якої вся памя’ть умовно може бути розділена на три частини:

область, яку займає операційна система;

область, у якій розміщується задача, що виконується;

незайнята нічим (вільна) область пам'яті.

Будучи найпершою схемою, вона і сьогодні досить розповсюджена. Ця схема припускає, що ОС не підтримує мультипрограмування, тому не виникає проблеми розподілу памя’ті між декількома задачами. Вся область пам'яті при цьому - неперервна, що полегшує роботу системи програмування.

Щоб для задач відвести як можна більший обсяг пам'яті, операційна система будується таким чином, що постійно в оперативній пам'яті розташовуєся тільки найбільш потрібна її частина. Цю частину ОС називають ядром. Решта модулі ОС можуть бути звичайними диск-резидентними (чи транзитними), тобто завантажуватися в оперативну пам'ять тільки по необхідності, і після свого виконання знову звільняти пам'ять.

Така схема розподілу спричиняє два види втрат обчислювальних рерсів - втрата процесорного часу, тому що процесор простоює, поки задача очікує завершення операцій введення/виведення, і втрата самої оперативної пам'яті, тому що не кожна програма використовує всю пам'ять, а режим роботи в цьому випадку однопрограмний.

Якщо є необхідність створити програму, логічний (і віртуальний) адресний простір якої повиний бути більше, ніж вільна область пам'яті, чи навіть більше, ніж весь можливий обсяг оперативної пам'яті, то використовується розподіл з перекриттям (так звані оверлейні структури).

Цей метод розподілу припускає, що вся програма може бути розбита на частини - сегменти. Кожна оверлейна програма має одну головну частину (main) і кілька сегментів (segment), причому в пам'яті машини одночасно можуть знаходитися тільки її головна частина й один чи декілька сегментів.

Поки в оперативній пам'яті розташовуються сегменти, що виконуються, решта знаходяться в зовнішній пам'яті.

Розподіл статичними і динамічними розділами

Для організації мультипрограмного режиму необхідно забезпечити одночасне розташування в оперативній пам'яті декількох задач (чи цілком чи їх частинами) Найпростіша схема розподілу пам'яті між декількома задачами припускає, що пам'ять, яка незайнята ядром ОС, може бути розбита на декілька безперервних частин (зон, розділів - partition). Розділи характеризуються ім'ям, типом, границями (як правило, указуються початок розділу і його довжина).

Розбивка пам'яті на декілька безперервних розділів може бути фіксованим(статичним), або динамічним (тобто процес виділення нового розділу пам'яті відбувається безпосередньо з появою нової задачі).

Розділи з фіксованими границями

Розбивка всього обсягу оперативної пам'яті на кілька розділів може відбуватися одноразово чи в міру необхідності оператором системи.

Приклад розбивки пам'яті на кілька розділів приведений на рис.2

 

                                     

 

                                                                                    

 

                                                                          

 

Рис.2. Розподіл пам'яті розділами з фіксованими границями

Використання оверлейних структур дозволяє створювати великі складні програми й у той же час підтримувати коефіцієнт мультипрограмування (під коефіцієнтом мультипрограмування розуміють кількість паралельних виконуваних програм) на належному рівні. Перші мультипрограмні ОС будувалися за цією схемою.

При невеликому обсязі пам'яті і, отже, невеликій кількості розділів збільшити кількість паралельно виконуваних додатків можна за рахунок своппінгу (swapping). При своппінгу задача може бути цілком вивантажена на магнітний диск (переміщена в зовнішню пам'ять), а на її місце завантажується або більш привілейована, або просто готова до виконання інша задача, що знаходилася на диску в припиненому стані. При своппінгу з основної пам'яті в зовнішню (і назад) переміщається вся програма, а не її окрема частина.

Основним недоліком такого способу розподілу пам'яті є наявність часом досить великого обсягу невикористаної пам'яті (див. мал.2). Невикористана пам'ять може бути в кожному з розділів. Оскільки розділів декілька, то і невикористаних областей виходить мало, тому такі втрати стали називати фрагментацією пам'яті. В окремих розділах утрати пам'яті можуть бути дуже значними, однак використовувати фрагменти вільної пам'яті при такому способі розподілу не представляється можливим.

Бажання розроблювачів скоротити ці значні втрати привело їх до двох рішень:

а) виділяти розділ рівно такого обсягу, що потрібний під поточну задачу;

б) розміщати задачу не в одній безперервній області пам'яті, а в декількох областях.

Розділи з рухливими границями

Щоб позбутися фрагментації, можна спробувати розміщати в оперативній пам'яті задачі щільно, одну за іншою, виділяючи рівно стільки пам'яті, скільки задача вимагає. Спеціальний планувальник (диспетчер пам'яті) веде список адрес вільної оперативної пам'яті. З появою нової задачі диспетчер пам'яті переглядає цей список і виділяє для задачі розділ одним із трьох способів:

перша придатна ділянка;

найбільш придатна ділянка;

найбілш невідповідна ділянка.

У першому випадку список вільних областей упорядковується по адресах (наприклад, по зростанню адрес). Диспетчер пам'яті переглядає цей список і виділяє задачі розділ у тій області, що перша підійде по обсягу.

Спосіб «найбільш придатна» припускає, що список вільних областей впорядкований по зростанню обсягу цих фрагментів. У цьому випадку при перегляді списку для нового розділу буде використаний фрагмент вільної пам'яті, об’єм якої найбільш точно відповідає необхідному. Однак фрагмент, що залишився, виявляється настільки малим, що в ньому вже навряд чи вдасться розмістити який-небудь ще розділ.

Найефективнішим правилом є останнє, по якому для нового розділу виділяється «найбілш невідповідний» фрагмент вільної пам'яті. Для цієї дисципліни список вільних областей впорядковується по зменшенню обсягу вільного фрагмента, і оскільки цей фрагмент є найбільшим, то, швидше за все, після виділення з нього розділу пам'яті для задачі, область, що залишилася, ще зможе бути використана в подальшому.