 |
Управление реальной и виртуальной памятью
|
|
|
|
Под памятью далее подразумевается оперативная (основная) память компьютера.
В однозадачных операционных системах основная память разделяется на две части. Одна часть для операционной системы, а вторая – для выполняющейся в текущий момент времени программы.
В многозадачных ОС «пользовательская» часть памяти – важнейший ресурс вычислительной системы – должна быть распределена для размещения нескольких процессов, в том числе процессов ОС. Эта задача распределения выполняется операционной системой динамически специальной подсистемой управления памятью.
Эффективное управление памятью жизненно важно для многозадачных систем. Если в памяти будет находиться небольшое число процессов, то значительную часть времени процессы будут находиться в состоянии ожидания ввода-вывода и загрузка процессора будет низкой.
Виртуальная память — метод управления памятью, которая реализуется с использованием аппаратного и программного обеспечения компьютера. Она отображает используемые программами виртуальные адреса в физические адреса в памяти компьютера.
Виды адресов памяти:
1) физический – адрес аппаратной ячейки памяти;
2) логический – виртуальный адрес, которым оперирует приложение.
Основная память представляется в виде непрерывного адресного пространства или набора смежных непрерывных сегментов. Операционная система осуществляет управление виртуальными адресными пространствами и соотнесением оперативной памяти с виртуальной.
Программное обеспечение в операционной системе может расширить эти возможности, чтобы обеспечить виртуальное адресное пространство, которое может превысить объем оперативной памяти и таким образом иметь больше памяти, чем есть в компьютере. Виртуальная память позволяет модифицировать ресурсы памяти, сделать объём оперативной памяти намного больше, для того чтобы пользователь, поместив туда как можно больше программ, сэкономил время и повысил эффективность своего труда.
|
|
|
Преимущества виртуальной памяти:
1) избавление программиста от необходимости управлять общим пространством памяти,
2) повышение безопасность использования программ за счет выделения памяти,
3) возможность иметь в распоряжении больше памяти, чем это может быть физически доступно на компьютере.
Почти все реализации виртуальной памяти делят виртуальное адресное пространство на страницы или блоки смежных адресов виртуальной памяти.
При работе машины с виртуальной памятью используются три метода:
1) страничная виртуальная память организует перемещение данных между основной памятью и диском страницами – частями виртуального адресного пространства фиксированного и сравнительно небольшого размера;
2) сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сегментами – частями виртуального адресного пространства произвольного размера, полученного с учетом смыслового значения данных;
3) сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения данных является страница.
Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится специальная область либо специальный файл (файл подкачки).
1. При страничной организации все ресурсы памяти, как оперативной, так и внешней представляются для пользователя единым целым. Пользователь работает с общим адресным пространством и не задумывается, какая память при этом используется: оперативная или внешняя, а эта общая память носит название виртуальной (моделируемой).
|
|
|
Виртуальная память разбивается на страницы, которые содержат определённое фиксированное количество ячеек памяти. При этом одна страница математической памяти не может быть больше или меньше других, все страницы должны быть одинаковы по количеству ячеек. Типичные размеры страниц 256, 512, 1024, 2048 байт и более (числа кратные 256).
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. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит страничное прерывание.
Выполняющий процесс переводится в состояние ожидания, активизируя процесс из очереди процессов, находящихся в состоянии готовности. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается ее загрузить 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 удаляемая страница за время последнего требования 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, чтобы невозможно было использовать содержимое выгруженной страницы. Для хранения информации о положении вытесненной страницы в страничном файле ОС может задействовать специальные поля таблицы страниц.
|
|
|
Преимущества виртуальной памяти со страничной организацией:
а) достаточно большой объём прямо адресуемой памяти. Объем памяти может исчисляться сотнями мегабайт (и даже гигабайтами). Размер виртуальной памяти целиком зависит от объёма накопителя на жестком диске. Созданный SWAP файл размещается на диске и эмулирует оперативную память. При этом пользователь не задумывается о том, куда будет помещен кусок его программы, с которой он только что отработал;
б) программы пользователя могут размещаться в любых свободных страницах;
в) повышает уровень мультипрограммной работы. С организацией виртуальной памяти со страничной организацией пользователь получил реальную возможность загружать в память большее количество программ для того чтобы машина обрабатывала программы сразу.
Недостатки виртуальной памяти со страничной организацией:
а) большое количество времени, которое машина тратит на обращение к внешней памяти. Извлечь необходимую информацию из ячеек оперативной памяти не представляет особого труда и больших затрат времени. Совсем иначе обстоит дело с диском: для того чтобы найти необходимую информацию, нужно сначала раскрутить диск, потом найти необходимую дорожку, в дорожке найти сектор, кластер, далее считать побитовую информацию в оперативную память;
б) использование оперативной памяти крайне неэффективно. Любая программа, независимо от ее размера, занимает раздел целиком. При этом могут оставаться неиспользованные участки памяти большого размера. Этот феномен появления неиспользованной памяти называется внутренней фрагментацией.
2. При страничной организации виртуальное адресное пространство делится на равные части механически без учета смыслового значения данных. Для многих задач наличие двух и более отдельных виртуальных адресных пространств может оказаться намного лучше, чем одно.
Сегментная организация памяти реализуется следующим образом: вся память делится на сегменты фиксированной или произвольной длины, каждый из которых характеризуется своим начальным адресом (базой или селектором).
|
|
|
Виртуальный адрес в такой системе состоит их двух компонент: базы сегмента, к которому идет обращение, и смещения внутри сегмента.
Преимущества виртуальной памяти с сегментной организацией:
а) простота управления увеличивающимися или сокращающимися структурами данных;
б) простота компоновки отдельно скомпилированных процедур
в) легкость обеспечения дифференцируемого доступа к различным частям программы
г) простота организации совместного использования фрагментов программ различными процессами, например, библиотеки совместного доступа могут быть оформлены в виде отдельного сегмента, который может быть включен в виртуальное адресное пространство нескольких процессов
При загрузке процесса в оперативную память помещается только часть его сегментов, полная копия виртуального адресного пространства находится в дисковой памяти. Для каждого загружаемого сегмента ОС подыскивает непрерывный участок свободной памяти достаточного размера. Смежные в виртуальной памяти сегменты могут занимать несмежные участки оперативной памяти. Если во время выполнения процесса происходит обращение к отсутствующему в основной памяти сегменту, происходит прерывание. Операционная система в данном случае работает аналогично подобному процессу в страничной виртуальной памяти.
Недостатки сегментной организации виртуальной памяти:
а) большая избыточность перемещения данных между диском и оперативной памятью, поскольку перемещаются целиком большие сегменты. Во многих случаях было бы достаточно загружать и выгружать не весь сегмент, а одну или несколько страниц;
б) внешняя фрагментация, которая возникает из-за произвольных размеров сегментов.
3. Сегментно-страничная организация виртуальной памяти направлена на сочетание достоинств страничного и сегментного методов управления памятью.
В такой комбинированной системе адресное пространство пользователя разбивается на ряд сегментов по усмотрению программиста. Каждый сегмент в свою очередь разбивается на страницы фиксированного размера, равные странице физической памяти. С точки зрения программиста, логический адрес в этом случае состоит из номера сегмента и смещения в нем. Каждый сегмент представляет собой последовательность адресов от нуля до определённого максимального значения.
Отличие сегмента от страницы состоит в том, что длина сегмента может изменяться в процессе работы. Сегменты, как и любая структура виртуальной памяти, могут размещаться как в оперативной памяти, так и во внешней памяти.
|
|
|
Виртуальная память с сегментно-страничной организацией функционирует подобно виртуальной памяти со страничной организацией: если требующийся на данный момент сегмент отсутствует в оперативной памяти, то при надобности работы с ним, он предварительно перемещается в оперативную память.
Сегментно-страничная организация памяти требует более сложной аппаратурно-программной организации.
|
|
|
