Управление свободной внешней памятью

Для управления свободной памятью на диске система использует битовый вектор длины n,где n – общее число блоков на диске, каждый бит которого описывает состояние соответствующего блока: bit[i] = 0, если block[i] свободен, 1 – если блок занят. При таком представлении информации о свободных и занятых блоках, номер первого занятого блока вычисляется по простой формуле:

номер первого занятого блока = число битов в слове * число нулевых слов + номер первой 1.

Битовые шкалы, используемые для управления блоками, требуют дополнительной памяти. Например, при размере блока в 2¹² байтов и размере диска в 2³⁰ байтов (1 GB) длина битового вектора будет равна n = 2³⁰/2¹² = 2¹⁸ битов (или 32 KB).

При использовании битовых векторов легко получать информацию о смежно расположенных файлах. Для сравнения, при использовании связанного списка свободной дисковой памяти (метод, обычно применяемый в ОС для оперативной памяти), невозможно легко получить информацию о смежных областях памяти, но зато нет лишнего расходования памяти.

Для предотвращения ситуаций рассогласованности информации о свободной дисковой памяти, операционной системе необходимо защищать указатель на список свободной памяти, либо битовую шкалу (в зависимости от способа представления информации о свободной памяти). Битовый вектор должен храниться на диске. Однако его копии в памяти и на диске могут различаться. Нельзя допустить, чтобы block[i] имел такую ситуацию, когда bit[i] = 1 в памяти и bit[i] = 0 на диске. Решение этой проблемы в том, чтоты согласовывать значения битов на диске и в памяти по следующему алгоритму:

· Установить bit[i] = 1 на диске;

· Разместить block[i];

· Установить bit[i] = 1 в памяти.

Представление информации о свободной дисковой памяти в виде списка блоков иллюстрируется на рис. 7.

Рис.7. Список свободной дисковой памяти.

Эффективность и производительность дисковой памяти

Эффективность использования дисковой памяти зависит от:

· Алгоритмов распределения дисковой памяти и управления директориями;

· Типов данных, хранимых в элементе директории для файла.

Для повышения производительности работы с диском используются следующие методы:

· Кэширование диска – использование специальной области основной памяти для часто используемых блоков диска;

· Освобождение прочитанного (free-behind) и опережающее считывание (read-ahead) – методы оптимизации последовательного доступа к диску, которые заключаются в том, что основная память, в которой хранились копии прочитанных блоков, освобождается, а вместе с очередным блоком файла считываются в основную память и несколько следующих блоков;

· Организация виртуальных дисков -улучшение производительности ПК путем выделения области памяти под виртуальный диск (RAM -диск).

Кэширование диска

Буферная кэш-память. В операционных системах используются различные методы кэширования диска (рис. 8).

Рис. 8. Различные методы размещения кэша для диска.

 

В основной памяти хранятся: виртуальные диски, буфера блоков обрабатываемых файлов, таблицы открытых файлов. В буферной памяти контроллера диска хранятся копии обрабатываемых блоков файла.

Проблема в том, что различные модули кэш -памяти используются не всегда достаточно эффективно и не всегда достаточно согласованы друг с другом. Например, система поддерживает кэш страниц, который кэширует страницы, а не блоки файла, используя методы организации виртуальной памяти. Ввод-вывод файлов, отображаемых в память, использует кэш страниц. С другой стороны, обычный ввод-вывод через файловую систему использует кэш буфера (диска). Понятно, что эти различные кэш -модули решают сходные задачи. Не хватает универсализации кэш -памяти. В результате получается усложненная схема, приведенная на рис. 9.

Рис.9. Ввод-вывод без унифицированной буферной кэш-памяти.

Решение данной проблемы – использование унифицированной буферной кэш-памяти. Унифицированная буферная кэш - память использует один и тот же кэш страниц для кэширования и файлов, отображаемых в память, и обычных операций ввода-вывода через файловую систему. Схема ввода-вывода с использованием унифицированной буферной кэш -памяти изображена на рис..10.

Рис. 10. Ввод-вывод с использованием унифицированной буферной кэш-памяти.