Совместное использование

Управление памятью

В однозадачных системах основная память разделяется на две части: одна 1-е часть — для операционной системы (резидентный монитор, ядро), а вторая — для выполняющейся в текущий момент времени программы. В мно­гозадачных системах "пользовательская" часть памяти должна быть распределена для размещения нескольких процессов. Эта задача распределения выполняется операционной системой динамически и известна под названием управления памятью (memory management).

Эффективное управление памятью жизненно важно для многозадачных систем. Если в памяти располагается только небольшое число процессов, то большую часть времени все эти процессы будут находиться в состоянии ожидания выполнения операций ввода-вывода, и загрузка процессора будет низкой. Таким образом, желательно эффективное распределение памяти, позволяющее разместить в ней как можно больше процессов.

Глава начинается с рассмотрения требований, которым должны удовлетворять разрабатываемые системы управления памятью. Позже мы приступим к рассмотрению различных технологий управления памятью, начав с применения нескольких простых схем. Мы будем исходить из того, что для выполнения программы она должна быть загружена в основную память.

ТРЕБОВАНИЯ К УПРАВЛЕНИЮ ПАМЯТЬЮ

При рассмотрении различных механизмов и стратегий, связанных с управлением памятью, полезно помнить требования, которым они должны удовлетворять. В [LIST93] перечислены пять требований.

• Перемещение.

• Защита.

• Совместное использование.

• Логическая организация.

• Физическая организация.

Перемещение

В многозадачной системе доступная основная память разделяется множеством процессов. Обычно программист не знает заранее, какие программы будут резидентно находиться в основной памяти во время работы разрабатываемой им программы. Кроме того, для максимизации загрузки процессора желательно иметь большой пул процессов, готовых к исполнению, для чего требуется возможность загрузки и выгрузки активных процессов из основной памяти. Требование, чтобы выгруженная из памяти программа была вновь загружена в то же самое место, где находилась и ранее, было бы слишком сильным ограничением. Крайне желательно, чтобы програм­ма могла быть перемещена (relocate) в другую область памяти.

Таким образом, заранее неизвестно, где именно будет размещена программа, а кроме того, программа может быть перемещена из одной области памяти в другую при свопинге. Эти обстоятельства обуславливают наличие определенных технических требований к адресации, проиллюстрированных на рис. 7.1. На рисунке представлен образ процесса. Для простоты предположим, что образ процесса занимает одну непрерывную область основной памяти. Очевидно, что операционной системе необходимо знать местоположение управляющей информации процесса и стека исполнения, а также точки входа для начала выполнения процесса. Поскольку управлением памятью занимается операционная система и она же размещает процесс в основной памяти, соответствующие адреса она по­лучает автоматически. Однако помимо получения операционной системой указанной информации, процесс должен иметь возможность обращаться к памяти в самой программе. Так, команды ветвления содержат адреса, указывающие на команды, которые должны быть выполнены после них; команды обращения к данным — адреса байтов или слов, с которыми они работают. Так или иначе, но процессор и программное обеспечение операционной системы должны быть способны перевести ссылки в коде программы в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению программы в основной памяти.

Защита

Каждый процесс должен быть защищен от нежелательного воздействия других процессов, случайного или преднамеренного. Следовательно, код других процессов не должен иметь возможности без разрешения обращаться к памяти данного процесса для чтения или записи. Однако удовлетворение требованию перемещаемости усложняет задачу защиты. Поскольку расположение программы в основной памяти непредсказуемо, проверка абсолютных адресов во время компиляции невозможна. Кроме того, в большинстве языков программирования возможно динамическое вычисление адресов во время исполнения (например, вычисление адреса элемента массива или указателя на поле структуры данных). Следовательно, во время работы программы необходимо выполнять проверку всех обращений к памяти, генерируемых процессом, чтобы удостовериться, что все они — только к памяти, выделенной данному процессу. К счастью, как вы увидите позже, механизмы поддержки перемещений обеспечивают и поддержку защиты.

Обычно пользовательский процесс не может получить доступ ни к какой части операционной системы — ни к коду, ни к данным. Код одного процесса не может выполнить команду ветвления, целевой код которой находится в другом процессе. Если не приняты специальные меры, код одного процесса не может получить доступ к данным другого процесса. Процессор должен быть способен прервать выполнение таких команд.

Заметим, что требования защиты памяти должны быть удовлетворены на уровне процессора (аппаратного обеспечения), а не на уровне операционной системы (программного обеспечения), поскольку операционная система не в состоянии предвидеть все обращения к памяти, которые будут выполнены программой. Даже если бы такое было возможно, сканирование каждой программы в поиске предлагаемых нарушений защиты было бы слишком расточительно с точки зрения использования процессорного времени- Следовательно, соответствующие возможности аппаратного обеспечения — единственный способ определения допустимости обращения к памяти (данным или коду) во время работы программы.

Совместное использование

Любой механизм защиты должен иметь достаточную гибкость, для того чтобы обеспечить возможность нескольким процессам обращаться к одной и той же области основной памяти. Например, если несколько процессов выполняют один и тот же машинный код, то будет выгодно позволить каждому процессу работать с одной и той же копией этого кода, а не создавать свою собственную. Процессам, сотрудничающим в работе над некоторой задачей, может потребоваться совместный доступ к одним и тем же структурам данных. Система управления памятью должна, таким образом, обеспечивать управляемый доступ к разделяемым областям памяти, при этом никоим образом не ослабляя защиту памяти. Как мы увидим позже, механизмы поддержки перемещений обеспечивают и поддержку совместного использования памяти.