Алгоритмы распределения памяти

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.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции программы только в том случае, если они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

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. Таким образом, разные подсистемы ОС при создании своих таблиц, объектов, структур и т. п. также обращаются к подсистеме управления памятью с запросами.

Защита памяти - это еще одна важная задача операционной системы. 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.

Символьные имена присваивает пользователь при написании программы на алгоритмическом языке или ассемблере.

Виртуальные адреса, называемые иногда математическими или логическими адресами, 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.

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

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 00000000₁₆ и FFFFFFFF₁₆. Тем не менее каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство - транслятор присваивает виртуальные адреса переменным и кодам каждой программы независимо.

Совпадение виртуальных адресов переменных и команд различных процессов не приводит к конфликтам, так как в том случае, когда эти переменные одновременно присутствуют в памяти, операционная система отображает их на разные физические адреса. В том случае, когда необходимо, чтобы несколько процессов разделяли общие данные или коды, операционная система отображает соответствующие участки виртуального адресного пространства этих процессов на один и тот же участок физической памяти, в так называемые «разделяемые сегменты памяти».

В разных операционных системах используются разные способы структуризации виртуального адресного пространства. 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 (рис. 4.1, а). Адрес такого типа называют линейным виртуальным адресом.

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 (п, т), где п определяет сегмент, a m -сме­щение внутри сегмента (рис. 4.1, б).

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.

Сегмент k

Сегмент n

:

(n, m)

m Сегмент n

m :

Сегмент 1

a) б)

Рис. 4. 1. Типы виртуальных адресных пространств: плоское (а), сегментированное (б)

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 с помощью специальной программы – перемещающего загрузчика.

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. Так например, 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 программы операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения процесса при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Допустим, если VA есть виртуальный адрес программы, а S – смещение, то физический адрес ОП = VA + S.

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Последний способ является более гибким: в то время как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти, динамическое преобразование виртуальных адресов позволяет перемещать программный код процесса в течение всего периода его выполнения. Но использование перемещающего загрузчика более экономично, так как в этом случае преобразование каждого виртуального адреса происходит только один раз во время загрузки, а при динамическом преобразовании - при каждом обращении по данному адресу.

В некоторых случаях (обычно в специализированных системах), когда заранее точно известно, в какой области оперативной памяти будет выполняться программа, транслятор выдает исполняемый код сразу в физических адресах.

Манипулируя с адресами, 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, определяемом архитектурой компьютера, на котором работает ОС, и, в частности, разрядностью его схем адресации (32-битная, 64-битная и т. п.). Например, при работе на компьютерах с 32-разрядными процессорами Intel Pentium операционная система может предоставить каждому процессу виртуальное адресное пространство до 4 Гбайт (2³²). Однако это значение представляет собой только потенциально возможный размер виртуального адресного пространства, который редко на практике бывает необходим процессу. Процесс использует только часть доступного ему виртуального адресного пространства.

Сегодня для машин универсального назначения типична ситуация, когда объем виртуального адресного пространства превышает доступный объем оперативной памяти. В таком случае операционная система для хранения данных виртуального адресного пространства процесса, не помещающихся в оперативную память, использует внешнюю память, которая в современных компьютерах представлена жесткими дисками. Именно на этом принципе основана виртуальная память – наиболее совершенный механизм, используемый в операционных системах для управления па-мятью.

Отметим, что виртуальное адресное пространство и виртуальная память - это различные механизмы, и они не обязательно реализуются в операционной системе одновременно. Можно представить себе ОС, в которой поддерживаются виртуальные адресные пространства для процессов, но отсутствует механизм виртуальной памяти. В этом случае размер виртуального адресного пространства каждого процесса должен быть меньше объема физической памяти ПК.

Содержимое назначенного процессу виртуального адресного пространства, то есть коды команд, исходные и промежуточные данные, а также результаты вычислений, представляет собой образ процесса.

Во время работы процесса постоянно выполняются переходы от прикладных кодов к кодам ОС, которые либо явно вызываются из прикладных процессов как системные функции, либо вызываются как реакция на внешние события или на исключительные ситуации, возникающие при некорректном поведении прикладных кодов. Для того чтобы упростить передачу управления от прикладного кода к коду ОС, а также для легкого доступа модулей ОС к прикладным данным (например, для вывода их на внешнее устройство), в большинстве ОС ее сегменты разделяют виртуальное адресное пространство с прикладными сегментами активного процесса. То есть сегменты ОС и сегменты активного процесса образуют единое виртуальное адресное пространство.

Обычно виртуальное адресное пространство процесса делится на две непрерывные части: системную и пользовательскую. В некоторых ОС (например, Windows NT) эти части имеют одинаковый размер - по 2 Гбайт, хотя в принципе деление может быть и другим, например 1 Гбайт - для ОС, и 2 Гбайт - для прикладных программ. Часть виртуального адресного пространства каждого процесса, отводимая под сегменты ОС, является идентичной для всех процессов. Поэтому при смене активного процесса заменяется только вторая часть виртуального адресного пространства, содержащая его индивидуальные сегменты, как правило, - коды и данные прикладной программы

Архитектура современных процессоров отражает эту особенность структуры виртуального адресного пространства. Например, в процессорах Intel Pentium существует два типа системных таблиц: одна - для описания сегментов, общих для всех процессов, а другая - для описания индивидуальных сегментов данного процесса. При смене процесса первая таблица остается неизменной, а вторая заменяется новой.

Механизм страничной памяти в большинстве универсальных операционных систем применяется ко всем сегментам пользовательской части виртуального адресного пространства процесса.

Системная часть виртуальной памяти в ОС любого типа включает область, подвергаемую страничному вытеснению (paged), и область, на которую страничное вытеснение не распространяется (non-paged). В невытесняемой области размещаются модули ОС, требующие быстрой реакции и/или постоянного присутствия в памяти, например диспетчер потоков или код, который управляет заменой страниц памяти. Остальные модули ОС подвергаются страничному вытеснению, как и пользовательские сегменты.

Алгоритмы распределения памяти

Следует ли назначать каждому процессу одну непрерывную область физической памяти или можно выделять память «кусками»? Должны ли сегменты программы, загруженные в память, находиться на одном месте в течение всего периода выполнения процесса или можно ее время от времени сдвигать? Что делать, если сегменты программы не помещаются в имеющуюся память? Разные ОС по-разному отвечают на эти и другие базовые вопросы управления памятью.

На рис. 4. 2 представлена схема алгоритмов распределения памяти.

	Методы распределения памяти
Без использования внешней памяти		С использованием внешней памяти
1) Динамическими разделами		1) Страничное распределение
2) Перемещаемыми разделами		2) Сегментное распределение
		3) Сегментно-страничное 4) распределение

Рис. 4. 2. Классификация методов распределения памяти

Все алгоритмы разделены на два класса: алгоритмы, в которых используется перемещение сегментов процессов между оперативной памятью и диском, и алгоритмы, в которых внешняя память не привлекается.

В случае распределения памяти машины динамическими разделами каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (изначально вся память, отводимая приложениям, свободна). Если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается. После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера.

При этом операционной системе, использующей этот метод управления памятью, приходится решать перечисленные ниже задачи.

Ведение таблиц свободных и занятых областей. В этих областях указываются начальные адреса и размеры участков памяти.

Анализ требований к памяти. При создании нового процесса просматриваются таблицы свободных областей и выбирается раздел, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».

Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.

Корректировка таблиц свободных и занятых областей. Эта операция проводится после завершения процесса.

Однако этому методу распределения присущ серьезный недостаток, связанный с фрагментацией памяти. Фрагментация - это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти малого размера (фрагментов), настолько малого, что ни одна из вновь поступающих программ не может уместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти. Этот метод управления памятью лежит в основе подсистем управления памятью первых ОС 60–70-х годов.

Перемещаемые разделы

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов с тем, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область. В дополнение к задачам, которые решает ОС при распределении памяти динамическими разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, при этом корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором - реже выполняется процедура сжатия.

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью перемещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов.

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.

Концепция сжатия применяется и при использовании других методов распределения памяти, когда отдельному процессу выделяется не одна сплошная область памяти, а несколько несмежных участков памяти произвольного размера (сегментов). Такой подход был использован в ранних версиях OS/2, в которых память распределялась сегментами, а возникавшая при этом фрагментация устранялась путем периодического перемещения сегментов.