Операционные системы, среды и оболочки Управление памятью

Оперативная память – важнейший ресурс вычислительной системы, требующий управления со стороны ОС. Причина – процессы и потоки хранятся и обрабатываются в оперативной памяти. Память распределяется между приложениями и модулями самой операционной системы. Функции ОС по управлению оперативной памятью: – Отслеживание наличия свободной и занятой памяти; – Контроль доступа к адресным пространствам процессов; – Вытеснение кодов и данных из оперативной памяти на диск, когда размеров памяти недостаточно для размещения всех процессов, и возвращение их обратно; – Настройка адресов программы на конкретную область физической памяти; – Защита выделенных областей памяти процессов от взаимного вмешательства. Часть ОС, которая отвечает за управление памятью, называется менеджером памяти.

Физическая организация памяти Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня: основную (главную, оперативную, физическую) и вторичную (внешнюю) память. Основная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Процессор извлекает команду из основной памяти, декодирует и выполняет ее. Для выполнения команды могут потребоваться обращения еще к нескольким ячейкам основной памяти. Вторичную память (это главным образом диски) также можно рассматривать как одномерное линейное адресное пространство, состоящее из последовательности байтов. В отличие от оперативной памяти, она является энергонезависимой, имеет существенно большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти.

Иерархия памяти

Представление потоков в оперативной памяти Для идентификации переменных и команд программы используются разные типы адресов: – Символьные (имена переменных, функций и т.п.); – Виртуальные – условные числовые значения, вырабатываемые компиляторами; – Физические – адреса фактического размещения в оперативной памяти.

Связывание адресов

Виртуальное пространство Совокупность виртуальных адресов называется виртуальным адресным пространством. Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов одинаков. Совпадение виртуальных адресов различных процессов не должно приводить к конфликтам и операционная система отображает виртуальные адреса различных процессов на разные физические адреса. Разные ОС по разному организуют виртуальное адресное пространство: – Линейная организация – пространство представляется непрерывной линейной последовательностью адресов (по другому плоская структура адресного пространства). – Сегментная организация – пространство разделяется на отдельные части. В этом случае, помимо линейного адреса, может быть использован виртуальный адрес (сегмент, смещение).

Виртуальное адресное пространство В виртуальном адресном пространстве выделяют две непрерывные части: – Системная – для размещения модулей общих для всей системы (размещаются коды и данные ядра ОС, другие служебные модули); – Пользовательская – для размещения кода и данных пользовательских программ. Системная область включает в себя область, подвергаемую страничному вытеснению, и область, на которую страничное вытеснение не распространяется. В последней располагаются системные процессы, требующие быстрой реакции или постоянного присутствия в памяти. Остальные сегменты подвергаются вытеснению, как и пользовательские приложения.

Алгоритмы распределения памяти Методы распределения памяти Без использования внешней памяти Фиксированными разделами Динамическими разделами Перемещаемыми разделами С использованием внешней памяти Страничное распределение Сегментное распределение Сегментно- страничное распределение

Схема с фиксированными разделами Схема основана на предварительном разбиении общего адресного пространства на несколько разделов фиксированной величины. Процессы помещаются в тот или иной раздел. Связывание физических и логических адресов процесса происходит на этапе его загрузки.

Динамическое распределение. Свопинг. В системах с разделением времени возможна ситуация, когда память не в состоянии содержать все пользовательские процессы. В таких случаях используется свопинг (swapping) – перемещению процессов из главной памяти на диск и обратно целиком. Частичная выгрузка процессов на диск осуществляется в системах со страничной организацией (paging). Выгруженный процесс может быть возвращен в то же самое адресное пространство или в другое. Это ограничение диктуется методом связывания. Для схемы связывания на этапе выполнения можно загрузить процесс в другое место памяти.

Схема с переменными разделами Типовой цикл работы менеджера памяти состоит в анализе запроса на выделение свободного участка (раздела), выборе его среди имеющихся в соответствии с одной из стратегий (первого подходящего, наиболее подходящего и наименее подходящего), загрузке процесса в выбранный раздел и последующих изменениях таблиц свободных и занятых областей. Аналогичная корректировка необходима и после завершения процесса. Связывание адресов может осуществляться на этапах загрузки и выполнения.

Страничная организация В случае страничной организации памяти (или paging) как логическое адресное пространство, так и физическое представляются состоящими из наборов блоков или страниц одинакового размера. При этом образуются логические страницы (page), а соответствующие единицы в физической памяти называют страничными кадрами (page frames). Страницы (и страничные кадры) имеют фиксированную длину, обычно являющуюся степенью числа 2, и не могут перекрываться. Каждый кадр содержит одну страницу данных. При такой организации внешняя фрагментация отсутствует, а потери из-за внутренней фрагментации, поскольку процесс занимает целое число страниц, ограничены частью последней страницы процесса.

Связь логического и физического адресов Логический адрес в страничной системе – упорядоченная пара (p,d), где p – номер страницы в виртуальной памяти, а d – смещение в рамках страницы p, на которой размещается адресуемый элемент. Разбиение адресного пространства на страницы осуществляется вычислительной системой незаметно для программиста. Адрес является двумерным лишь с точки зрения операционной системы, а с точки зрения программиста адресное пространство процесса остается линейным.

Схема адресации при страничной организации

Сегментная и сегментно-страничная организация памяти Сегменты, в отличие от страниц, могут иметь переменный размер. Каждый сегмент – линейная последовательность адресов, начинающаяся с 0. Максимальный размер сегмента определяется разрядностью процессора (при 32-разрядной адресации это 232 байт или 4 Гбайт). Размер сегмента может меняться динамически (например, сегмент стека). В элементе таблицы сегментов помимо физического адреса начала сегмента обычно содержится и длина сегмента. Логический адрес – упорядоченная пара v=(s,d), номер сегмента и смещение внутри сегмента.

Преобразование логического адреса при сегментной организации

Формирование адреса при странично- сегментной организации памяти

Виртуальная память Разработчикам программного обеспечения часто приходится решать проблему размещения в памяти больших программ, размер которых превышает объем доступной оперативной памяти. Развитие архитектуры компьютеров и расширение возможностей операционной системы по управлению памятью позволило переложить решение этой задачи на компьютер. Одним из подходов стало появление виртуальной памяти (virtual memory).

Концепция работы с виртуальной памятью Информация, с которой работает активный процесс, должна располагаться в оперативной памяти. В схемах виртуальной памяти у процесса создается иллюзия того, что вся необходимая ему информация имеется в основной памяти. – во-первых, занимаемая процессом память разбивается на несколько частей, например страниц; – во-вторых, логический адрес (логическая страница), к которому обращается процесс, динамически транслируется в физический адрес (физическую страницу); – и наконец, в тех случаях, когда страница, к которой обращается процесс, не находится в физической памяти, нужно организовать ее подкачку с диска. Для контроля наличия страницы в памяти вводится специальный бит присутствия, входящий в состав атрибутов страницы в таблице страниц.

Кэширование данных Для ускорения доступа к данным используется принцип кэширования. В вычислительных системах существует иерархия запоминающих устройств: – нижний уровень занимает емкая, но относительно медленная дисковая память; – оперативная память; – верхний уровень – сверхоперативная память процессорного кэша. Каждый уровень играет роль кэша по отношению к нижележащему.

Кэширование данных Каждая запись в кэш-памяти об элементе данных включает в себя: – Значение элемента данных; – Адрес, который этот элемент данных имеет в основной памяти; – Дополнительную информацию, которая используется для реализации алгоритма замещения данных в кэше и включает признак модификации и актуальности данных.