Управление памятью в операционной системе

Существуют и более сложные способы структуризации виртуального адресного пространства, когда виртуальный адрес образуется тремя или даже более числами.

Задачей операционной системы является отображение индивидуальных виртуальных адресных пространств всех одновременно выполняющихся процессов на общую физическую память. При этом ОС отображает либо все виртуальное ад­ресное пространство, либо только определенную его часть.

Процедура преобразования виртуальных адресов в физические должна быть максимально прозрачна для пользователя и программиста.

Существуют два принципиально отличающихся подхода к преобразованию вир­туальных адресов в физические.

В первом случае замена виртуальных адресов на физические выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память. Специальная системная программа — перемещающий загрузчик — на основании имеющихся у нее исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, а также информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых элементах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизме­ненном виде в виртуальных адресах, то есть операнды инструкций и адреса пере­ходов имеют те значения, которые выработал транслятор. В наиболее простом случае, когда виртуальная и физическая память процесса представляют собой единые непрерывные области адресов, операционная система выполняет преоб­разование виртуальных адресов в физические по следующей схеме. При загруз­ке операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполня­ется преобразование виртуального адреса в физический.

Необходимо различать максимально возможное виртуальное адресное пространство процесса и назначенное (выделенное) процессу виртуальное адресное пространство.

В первом случае речь идет о максимальном размере виртуального адресного пространства, определяемого архитектурой ОС. Процесс использует только часть доступного ему виртуального адресного пространства.

Рис. 13.4. Страничное распределение памяти

 

На рис. 13.4 показана схема страничного распределения памяти. Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фикси­рованного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами (virtual pages). В общем случае размер виртуального адресного пространства про­цесса не кратен размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процес­са дополняется фиктивной областью.

Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, на­зываемые физическими страницами (или блоками, или кадрами).

Размер страницы выбирается равным степени двойки: 512, 1024, 4096 байт и т. д. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

При создании процесса ОС загружает в оперативную память несколько его вир­туальных страниц (начальные страницы кодового сегмента и сегмента данных). Копия всего виртуального адресного пространства процесса находится на диске. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных фи­зических страницах.

Для каждого процесса операционная система создает таб­лицу страниц — информационную структуру, содержащую записи обо всех вир­туальных страницах процесса.

Запись таблицы, называемая дескриптором страницы, включает следующую, ин­формацию:

► номер физической страницы, в которую; загружена: данная виртуальная страница;.

► признак присутствия, устанавливаемый в единицу, если виртуальная страни­ца находится в оперативной памяти;

► признак модификации страницы, который устанавливается в единицу вся­кий раз, когда производится запись по адресу, относящемуся к данной стра­нице;

► признак обращения к странице, называемый также битом доступа, который устанавливается в единицу при каждом обращении по адресу, относящемуся к данной странице.

Признаки присутствия, модификации и обращения в большинстве моделей со­временных процессоров устанавливаются аппаратно, схемами процессора при выполнении операции с памятью. Информация из таблиц страниц используется для решения вопроса о необходимости перемещения той или иной страницы ме­жду памятью и диском, а также для преобразования виртуального адреса в физи­ческий. Сами таблицы страниц, также как и описываемые ими страницы, разме­щаются в оперативной памяти. Адрес таблицы страниц включается в контекст соответствующего процесса. При активизации очередного процесса операцион­ная система загружает адрес его таблицы страниц в специальный регистр про­цессора.

При каждом обращении к памяти выполняется поиск номера виртуальной стра­ницы, содержащей требуемый адрес, затем по этому номеру определяется нуж­ный элемент таблицы страниц, и из него извлекается описывающая страницу информация. Далее анализируется признак присутствия, и, если данная вирту­альная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразова­ние виртуального адреса в физический, то есть виртуальный адрес заменяется указанным в записи таблицы физическим адресом. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожи­дания, и активизируется другой процесс из очереди процессов, находящихся в со­стоянии готовности. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу (для этого операционная система должна помнить положение вытесненной страницы в страничном файле диска) и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то на основании принятой в данной системе стратегии замещения страниц решается вопрос о том, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

После того как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную па­мять, обнуляется ее бит присутствия и анализируется ее признак модификации. Если выталкиваемая страница за время последнего пребывания в оперативной памяти была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то принимается во внимание, что на диске уже имеется предыду­щая копия этой виртуальной страницы, и никакой записи на диск не произво­дится. Физическая страница объявляется свободной. Из соображений безопас­ности в некоторых системах освобождаемая страница обнуляется, с тем, чтобы невозможно было использовать содержимое выгруженной страницы.

Для хранения информации о положении вытесненной страницы в страничном файле ОС может использовать поля таблицы страниц или же другую системную структуру данных (например, дескриптор сегмента при сегментно-страничной организации виртуальной памяти).

Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары (р, S_v), где р — порядковый номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0), a S_v — смещение в пределах виртуальной страницы. Физический адрес также может быть представлен в виде пары (n, S_f), где n — номер физической страницы, a S_f — смещение в пределах физической страницы. Задача подсистемы виртуальной памяти состоит в отображении (р, S_v) в (n, S_f).

В пределах страницы непрерывная по­следовательность виртуальных адресов однозначно отображается в непрерыв­ную последовательность физических адресов, а значит, смещения в виртуальном и физическом адресах S_v и S _f равны между собой.

Отсюда следует простая схема преобразования виртуального адреса в физический. Младшие разряды физического адреса, соответствующие смещению, получаются переносом такого же количества младших разрядов из виртуального адреса. Старшие разряды физического адреса, соответствующие номеру физической страницы, определяются из таблицы страниц, в которой указывается соответствие виртуальных и физических страниц.

Итак, пусть произошло обращение к памяти по некоторому виртуальному адресу. Аппаратными схемами процессора выполняются следующие действия:

1. Из специального регистра процессора извлекается адрес AT таблицы страниц активного процесса. На основании начального адреса таблицы страниц, номера виртуальной страницы р (старшие разряды виртуального адреса) и длины отдельной записи в таблице страниц L (системная константа) определяется адрес нужного дескриптора в таблице страниц: a=AT+(p*L).

2. Из этого дескриптора извлекается номер соответствующей физической стра­ницы — n.

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение s (младшие разряды виртуального адреса).

Типичная машинная инструкция требует 3-4 обращений к памяти (выборка команды, извлечение операндов, запись результата). И при каждом обращении происходит либо преобразование виртуального адреса в физический, либо обра­ботка страничного прерывания. Время выполнения этих операций в значитель­ной степени влияет на общую производительность вычислительной системы, поэтому столь большое внимание разработчиков уделяется оптимизации вирту­альной памяти.

Именно для уменьшения времени преобразования адресов во всех процессорах предусмотрен аппаратный механизм получения физического адреса по виртуальному. С той же целью размер страницы выбирается равным степени двойки, благодаря чему двоичная запись адреса легко разделяется на номер страницы и смещение, и в результате в процедуре преобразования адресов более длительная операция сложения заменяется операцией присоединения (конкатенации).

Другим важным фактором, влияющим на производительность системы, является частота страничных прерываний, на которую, в свою очередь, влияют размер страницы и принятые в данной системе правила выбора страниц для выгрузки и загрузки. При неправильно выбранной стратегии замещения страниц могут воз­никать ситуации, когда система тратит большую часть времени впустую, на подкачку страниц из оперативной памяти на диск и обратно.

При выборе страницы на выгрузку могут быть использованы различные критерии, смысл которых сводится к одному: на диск выталкивается страница, к которой в будущем начиная с данного момента дольше всего не будет обращений. Поскольку точно предсказать ход вычислительного процесса невозможно, то не­возможно точно определить страницу, подлежащую выгрузке.

Управление памятью в операционной системе

Функции ОС по управлению памятью

Под памятью (memory) здесь подразумевается оперативная память компьюте­ра. В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней памятью (storage), оперативной памяти для сохранения информации требуется постоян­ное электропитание.

Необходимым условием для того, чтобы программа могла выполняться, являет­ся ее нахождение в оперативной памяти. Только в этом случае процессор может извлекать команды из памяти и интерпретировать их, выполняя заданные дейст­вия.

Объем оперативной памяти, который имеется в компьютере, существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса. Он ограничи­вает число одновременно выполняющихся программ и размеры их виртуальных адресных пространств.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Память распределяется как между мо­дулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной сис­темы.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в память.

С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе явля­ются:

► отслеживание свободной и занятой памяти;

► выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;

► вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;

► настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выпол­нять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация па­мяти тоже является функцией операционной системы,

Во время работы операционной системы ей часто приходится создавать новые служебные информационные структуры, такие как описатели процессов и пото­ков, различные таблицы распределения ресурсов, буферы, используемые процес­сами для обмена данными, синхронизирующие объекты и т. п. Все эти систем­ные объекты требуют памяти. В некоторых ОС заранее (во время установки) резервируется некоторый фиксированный объем памяти для системных нужд. В других же ОС используется более гибкий подход, при котором память для системных целей выделяется динамически. В таком случае разные подсистемы ОС при создании своих таблиц, объектов, структур и т. п. обращаются к подсис­теме управления памятью с запросами.

Защита памяти — это еще одна важная задача операционной системы, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или чи­тать данные из памяти, назначенной другому процессу. Эта функция, как прави­ло, реализуется программными модулями ОС в тесном взаимодействии с аппа­ратными средствами.

Типы адресов

Для идентификации переменных и команд на разных этапах жизненного цикла программы используются символьные имена (метки), виртуальные адреса и фи­зические адреса (рис. 13.1).

 

► Физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и ко­манды.

► Символьные имена, называемые иногда логическими адресами, присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

► Виртуальные адреса называемые иногда математическими, вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции в общем случае не известно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор при­сваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой ад­рес.

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством.

Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же. Например, при использовании 32-разрядных виртуальных адресов этот диапазон задается границами 00000000h и FFFFFFFFh. Тем не менее, каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство – транслятор присваивает виртуальные адреса переменным и кодам в каждой программе независимо.

В разных операционных системах используются разные способы структуриза­ции виртуального адресного пространства.

1. В одних ОС виртуальное адресное пространство процесса подобно физической памяти представлено в виде непре­рывной линейной последовательности виртуальных адресов. Такую структуру адресного пространства называют также плоской (flat). При этом виртуальным адресом является единственное число, представляющее собой смещение отно­сительно начала (обычно это значение 000...000) виртуального адресного про­странства. Адрес такого типа называют линейным виртуальным ад­ресом.

2. В других ОС виртуальное адресное пространство делится на части, называемые сегментами (или секциями, или областями, или другими терминами). В этом случае помимо линейного адреса может быть использован виртуальный адрес, представляющий собой пару чисел (n, т), где п определяет сегмент, а т — сме­щение внутри сегмента.