Способы структуризации виртуального адресного пространства

ОС архив / Лекция 8

Функции ОС по управление памятью. Физические и виртуальные адреса. Способы структурирования виртуального адресного пространства. Подходы к преобразованию виртуальных адресов в физические. Системная и пользовательская части виртуального адресного пространства. Алгоритмы распределения памяти.

Память является важнейшим ресурсом, требующим управления со стороны операционной системы. Под памятью здесь понимается оперативная память компьютера. Именно в этой памяти находятся инструкции программы, которые может выполнять процессор. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями операционной системы.

Функциями ОС по управлению памятью являются:

отслеживание свободной и распределенной памяти;

выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;

вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;

настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

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 случайным образом в случайные моменты времени приводит к фрагментации памяти и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти также является функцией операционной системы.

Защита памяти – еще одна важная задача ОС, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу. Эта функция, как правило, реализуется программными модулями операционной системы в тесном взаимодействии с аппаратными средствами.

Физическая память представляет собой упорядоченный массив ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер. Номер ячейки оперативной памяти называют физическим адресом.

Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует представлениям программистов о том, как организовано хранение программ и данных. На разных этапах жизненного цикла программы, помимо физических адресов, используют символьные имена, которые программист использует при написании программ, и виртуальные адреса.

Виртуальный (логический) адрес вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции в общем случае неизвестно, какое место в памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные (условные) адреса, обычно считая по умолчанию, что начальным адресом программы будет нулевой адрес.

Совокупность виртуальных адресов процесса называется виртуальным адресным пространством. Диапазон возможных адресов виртуального пространства у всех процессов является одним и тем же и зависит от разрядности адреса. Например, при использовании 32-разрядных адресов этот диапазон задается границами [0000 0000₁₆;FFFF FFFF₁₆]. Тем не менее, каждый процесс имеет собственное виртуальное адресное пространство – транслятор присваивает виртуальные адреса переменным и кодам каждой программы независимо.

Рис. 8.1. Типы адресов.

Совокупность виртуальных адресов 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 разных операционных системах используются разные способы структурирования 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 плоской. При этом виртуальным адресом является единственное число, представляющее собой смещение относительно начала виртуального адресного пространства.

Более распространенным является способом структурирования, при котором адресное пространство делится на части, называемые сегментами. Сегмент – это область памяти определенного назначения, внутри которой поддерживается линейная адресация. Сегменты содержат код программы, данные, стек, но обычно не содержат информацию смешанного типа (это позволяет контролировать характер работы с конкретным сегментом, приписав ему соответствующие атрибуты – права доступа, типы разрешенных операций и т.п.). В этом случае виртуальный адрес состоит из двух компонентов: номера сегмента и смещения внутри сегмента.

Рис. 8.2. Расположение сегментов процессов в оперативной памяти компьютера.

Существуют и более сложные способы структуризации виртуального адресного пространства, когда виртуальный адрес состоит из трех и более компонент.

Задачей операционной системы является отображение индивидуальных адресных пространств всех одновременно выполняющихся процессов на общую физическую память. При этом ОС отображает либо все виртуальное адресное пространство, либо только определенную его часть.

Существуют два принципиально отличных способа к преобразованию виртуальных адресов в физические.

В первом случае замена виртуальных адресов на физические выполняется один раз для каждого процесса Вов время начальной загрузки программы в память. Специальная системная программа – перемещающий загрузчик – на основании имеющихся у нее исходных данных о начальном адресе физической памяти, в которую предстоит загружать программу, а также информации, предоставленной транслятором об адресно-зависимых элементах программы, выполняет загрузку программы, совмещая ее с заменой виртуальных адресов физическими.

Второй способ заключается в том, что программа загружается в память в неизменном виде в виртуальных адресах. При загрузке операционная система фиксирует смещение действительного расположения программного кода относительно виртуального адресного пространства. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический.

Рис. 8.3. Схема динамического преобразования адресов.

Последний способ является более гибким, так как перемещающий загрузчик жестко привязывает программу к первоначально выделенному ей участку памяти, а динамическое преобразование виртуальных адресов позволяет перемещать программу в памяти в течение всего периода ее выполнения. Но использование перемещающего загрузчика более экономично, так как в этом случае преобразование виртуальных адресов в физические происходит только один раз во время загрузки, а в случае динамического преобразования – при каждом обращении к оперативной памяти.

Необходимо различать максимально возможное виртуальное адресное пространство и назначенное (выделенное) процессу виртуальное адресное пространство. В первом случае идет речь о максимальном размере виртуального адресного пространства, определяемом архитектурой компьютера, и ограничивается только разрядностью адреса. Во втором случае говорится о наборе виртуальных адресов, действительно нужных процессу для работы. Эти адреса первоначально назначает программе транслятор на основании текста программы, когда создает кодовый сегмент, а затем сегменты данных, с которыми программа работает. Затем при создании процесса ОС фиксирует назначенное виртуальное адресное пространство в своих системных таблицах. В ходе своего выполнения процесс может увеличить размер первоначально назначенного ему виртуального адресного пространства, запросив у ОС создания дополнительных сегментов или увеличения размера существующих. В любом случае операционная система следит за корректностью использования процессом виртуальных адресов – процессу не разрешается оперировать с виртуальным адресом, выходящим за пределы назначенных ему сегментов.

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

Во время работы процесса постоянно происходят 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. Для того чтобы упростить передачу управления от прикладного кода к коду ОС, а также для легкого доступа модулей ОС к прикладным данным, 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. Часть виртуального адресного пространства, 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, включающие код и данные прикладной программы.

Рис. 8.4. Системная и пользовательская части виртуальных адресных пространств.

Все алгоритмы распределения памяти можно разбить на два класса:

алгоритмы, в которых используется перемещение сегментов памяти между оперативной памятью и диском;

алгоритмы, в которых внешняя память не используется.

Рассмотрим сначала простейшие алгоритмы управления памятью, не использующие внешнюю память.

Распределение памяти фиксированными разделами. При этом способе память разбивается на несколько областей фиксированной величины, называемых разделами. Такое разбиение производится во время установки системы или ее старта и в не меняется в процессе работы. Новый процесс помещается в тот или иной раздел. Подсистема управления памятью сравнивает объем памяти, требуемый для вновь поступившего процесса, с размерами свободных разделов, выбирает подходящий раздел и осуществляет загрузку программы в раздел и настройку адресов. При этом может существовать как общая очередь задач, ожидающих память, так и отдельные очереди к каждому разделу.

Данная схема управления памятью очень проста при реализации, но имеет существенные недостатки. Так как в каждом разделе может выполняться только один процесс, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов. Независимо от размера программа будет занимать весь раздел, даже если программа очень мала. И с другой стороны, разбиение памяти на разделы не позволяет выполнять процессы, программы которых не помещаются ни в один из разделов.

Рис. 8.5. Распределение памяти фиксированными разделами.

Такой способ управления применялся в ранних мультипрограммных ОС. В настоящее время он применяется в системах реального времени благодаря низким затратам на реализацию.

Распределение памяти динамическими разделами. В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Каждому вновь поступающему приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память. После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, и, следовательно, настройка адресов может производиться единовременно во время загрузки.

Таким образом, в любой момент времени память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных разделов произвольного размера. Подсистема управления памятью осуществляет следующие функции:

Ведет таблицы свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.

При создании нового процесса анализирует требования к памяти и выбирает раздел, достаточный для размещения кодов и данных нового процесса. При этом могут использоваться разные стратегии выбора: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер», «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».

Загружает программу в выделенный ей раздел и корректирует таблицы свободной и занятой памяти.

После завершения процесса корректирует таблицы свободной и занятой памяти.

Такой метод распределения более гибок по сравнению с распределением памяти фиксированными разделами, но имеет существенный недостаток – фрагментацию памяти. Фрагментация – это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера. Размер этих участков таков, что ни одна вновь поступающая программа не может быть загружена ни в один из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составлять величину, превышающую требуемый для загрузки объем памяти.

Рис. 8.6. Распределение памяти динамическими разделами.

Распределение памяти перемещаемыми разделами. В дополнение к функциям подсистемы памяти, указанным выше, подсистема памяти должна еще проводить процедуру сжатия. Сжатие – это копирование содержимого разделов из одного места памяти в другое таким образом, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область. При этом должна производиться корректировка таблиц свободных и занятых областей. Таким образом, сжатие – это метод борьбы с фрагментацией памяти. Сжатие может производиться либо при каждом завершении процесса, либо 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, во втором – реже выполняется процедура сжатия.

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе выполнения, более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов.

Рис. 8.7. Распределение памяти перемещаемыми разделами.

Источник

Тема Управление памятью

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Тема 3. Управление памятью. Файл 1.doc С. 17 из 17

Тема 3. Управление памятью

1. Функции ОС по управлению памятью

2. Типы адресов

2.1. Преобразование адресов в процессе обработки программы

2.2. Виртуальное адресное пространство: структура и отображение на физическую память

2.3. Понятие виртуальной памяти

3. Виды алгоритмов распределения памяти

4. Виртуализация памяти. Классы виртуальной памяти

4.1. Свопинг и виртуальная память

4.2. Страничное распределение

4.3. Сегментное распределение

4.4. Сегментно-страничное распределение

5. Кэширование данных

5.1. Иерархия запоминающих устройств и кэш-память

5.2. Функционирование кэш-памяти

5.3. Проблемы кэширования

5.4. Способы отображения основной памяти на кэш

5.5. Двухуровневое кэширование

5.6. Реализация кэширования

1. Функции ОС по управлению памятью

Если не оговорено иное, под памятью ( memory ) понимается оперативная память компьютера, в отличие от внешней памяти ( storage ).

Процессор может выполнять только инструкции, находящиеся в оперативной памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

Функции ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе:

отслеживание свободной и занятой памяти;

выделение памяти процессам и ее освобождение при завершении процесса;

вытеснение процессов из оперативной памяти на диск при нехватке оперативной памяти и возвращение в оперативную память при освобождении места в ней (механизм виртуальной памяти );

настройка адресов программы на конкретную область физической памяти;

динамическое выделение памяти процессам (выделение памяти по запросу приложения во время его выполнения); выделяются свободные участки, расположенные произвольным образом, что приводит к фрагментации памяти;

дефрагментация освобожденной динамической памяти;

выделение памяти для создания служебных структур ОС (дескрипторы процессов и потоков, таблицы распределения ресурсов, буферы, синхронизирующие объекты и т.д.;

защита памяти – выполняемый процесс не должен записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу.

2. Типы адресов

2.1. Преобразование адресов в процессе обработки программы

Для идентификации переменных и команд на разных этапах обработки программы операционной системой используются символьные имена, преобразуемые в виртуальные адреса и в итоге – в физические адреса (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Типы адресов

2.2. Виртуальное адресное пространство: структура и отображение на физическую память

 Виртуальное адресное пространство

Виртуальные адреса для различных программ назначаются транслятором независимо. Диапазон виртуальных адресов определяется программно-аппаратным обеспечением компьютера, в частности, разрядностью его схем адресации. Совокупность всех возможных адресов из этого диапазона называется виртуальным адресным пространством .

Так, 32-разрядный процессор семейства x86 дает возможность адресовать до 2 32 байтов, т.е. до 4 Гбайт памяти с диапазоном виртуальных адресов от 00000000h до FFFFFFFFh.

Реальные процессы используют только часть доступного виртуального пространства (на 1-2 порядка меньше максимума).

Совпадение виртуальных адресов переменных и команд различных программ не приводит к конфликтам, так как в случае, когда эти переменные или команды одновременно присутствуют в памяти, операционная система отображает совпадающие виртуальные адреса на разные физические (если эти переменные или команды не должны разделяться соответствующими процессами).

 Образ процесса – термин, обозначающий содержимое назначенного процессу виртуального адресного пространства, т.е. коды команд и данные (исходные, промежуточные и результаты).

 Способы структуризации виртуального адресного пространства в ОС

Структура адреса, или модель адресации определяется в совокупности компилятором, операционной системой и аппаратным обеспечением. Компилятор должен обеспечить простоту работы с адресом, но с минимальным разрывом между программистом и ОС. Поэтому в языке программирования отображается та модель, которая используется в ОС. Эта модель, в свою очередь, определяется заложенной в ОС идеей адресации с учетом необходимости реализации этой идеи на конкретной аппаратной платформе. Таким образом, ОС «сверху» должна обеспечить достаточно простую модель адресации для компилятора, а «снизу» уметь преобразовать эту модель в модель, навязанную аппаратурой.

Рассмотрим две наиболее характерных модели структуризации адресного пространства – плоскую и двухуровневую модель «сегмент-смещение». Эти модели представлены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Типы виртуальных адресных пространств: плоское (а), сегментированное (б)

 Плоская (flat) структура. Виртуальное адресное пространство представлено в виде непрерывной линейной последовательности адресов. Линейный виртуальный адрес – число, представляющее собой смещение относительно начала виртуального адресного пространства (обычно это нулевое значение).

 Сегментированная с труктура. Виртуальное адресное пространство представляется разделенным на сегменты, а адрес любого объекта в памяти определяется номером сегмента и смещением относительно начала этого сегмента, т.е. парой сегмент-смещение .

Более конкретно способы структуризации виртуального адресного пространства рассмотрены в п. 4 темы в связи с механизмами виртуальной памяти.

 Важно отметить следующее.

Использование и реализация универсального принципа сегментирования структуры адресного пространства в разные периоды развития вычислительной техники были принципиально различными и менялись по крайней мере трижды.

В ранних ОС на сегменты фиксированного размера делилась физическая память, о чем пользователь должен был знать и что при необходимости учитывал в программе. Необходимость структуризации адреса диктовалась архитектурой процессора и памяти. Так, модель памяти «сегмент-смещение» была реализована в 32-разрядной архитектуре IBM-360 (объем памяти оказывался меньше потенциально адресуемого, но тем не менее была реализована модель «сегмент-смещение») и в 16-разрядной архитектуре x-86 (по причине сугубо аппаратного свойства: процессор использовал 20-разрядную шину адреса, располагая 16-разрядными регистрами, и для формирования адреса использовалось два регистра).

Для программиста способы структуризации адресного пространства в таком случае могут отображаться в структуре адреса при работе с динамической памятью, т.е. при работе с указателями (выделение памяти, изменение значения указателя, определении содержимого памяти). Если в программе операции с указателями не используются, то по ее тексту определить эту схему в общем случае нельзя. Ниже приведены соответствующие примеры.

В языках сред turbo– и Borland–pascal имеются следующие операции с адресами, отображающие эту, неактуальную сейчас систему адресации:

— получение сегмента и смещения адреса объекта Х:

function seg (var X):word; function ofs (var X):word;

— получение адреса из значений сегмента и смещения:

funct ion ptr( сегмент >, смещение >:word):pointer;

Изменять значение указателя в языке нельзя. Поэтому для изменения указателя необходимо его преобразование, допускающее увеличение, изменение и затем обратное преобразование. Здесь возможны два пути.

 Следующий системе адресации MS DOS. Значение указателя раскладывают на сегмент и смещение, изменяют смещение, а затем объединяют сегмент и смещение.

 Учитывающий, что в современных операционных системах (начиная с Windows 3.11 c надстройкой Win32s) используются плоские (сплошные) адреса. Указатель преобразуется к числовому типу longint, увеличивается и преобразуется обратно.

Язык Си также содержит соответствующие операции, например:

— определение сегмента и смещения некоторого адреса (приведены примеры операторов):

— определение содержимого байта по адресу, определяемому сегментом и смещением:

Изменение указателя предусмотрено в языке. Так, согласно синтаксису языка, в фрагменте

значение указателя p увеличивается на длину типа int. Схема адресации скрыта компилятором и по тексту операции неопределима.

С совершенствованием аппаратных элементов и ростом сложности программного обеспечения наблюдается тенденция к предоставлению и программисту, и процессу максимально удобной модели адресации. На данный момент таковой является плоская модель.

В современных ОС понятие «сегмент» приобрело иной смысл и используется как средство виртуализации памяти (см. ниже). Сегмент – это некоторая функционально осмысленная часть кода или данных, которая может помещаться в оперативную память или выгружаться из нее как единое целое. Элементы сегмента адресуются внутри него смещением относительно начала. При этом механизм структуризации адресного пространства прозрачен и для пользователя, и для процесса и осуществляется аппаратно-программными средствами ОС.

Для программы адресное пространство представляется плоским.

 Подходы к преобразованию виртуальных адресов в физические

 Загрузка совместно с заменой виртуальных адресов физическими. Замена адресов выполняется один раз. Программа перемещающий загрузчик , имея начальный адрес загрузки (т.е. адрес оперативной памяти, начиная с которого будет размещена программа) и код в относительных (виртуальных) адресах, выполняет загрузку с одновременным увеличением виртуальных адресов на величину начального адреса загрузки.

 Динамическое преобразование виртуальных адресов. Программа загружается в память в виртуальных адресах. Начальный адрес загрузки ОС фиксирует в специальном регистре. Преобразование виртуальных адресов в физические (также путем прибавления начального адреса загрузки) производится во время выполнения программы при обращении к памяти. Таким образом, некоторый виртуальный адрес пересчитывается в физический столько раз, сколько обращений по нему производится.

Этот способ более гибок, так как позволяет перемещать программный код процесса во время выполнения, но менее экономичен из-за многократных преобразований одних и тех же адресов.

2.3. Понятие виртуальной памяти

Сегодня для компьютеров универсального назначения типична ситуация, когда объем виртуального адресного пространства превышает доступный объем оперативной памяти. Это достигается за счет отображения виртуального адресного пространства на физическую память посредством использования механизма виртуальной памяти.

Виртуальная память – картина памяти, формируемая операционной системой для процесса (вспомним, что одна из функций ОС – предоставление виртуальной машины; естественно предположить, что память такой машины тоже должна быть виртуальной). Деятельность ОС по созданию такой картины правомерно назвать виртуализацией памяти .

Например, для процессов (потоков) в Windows NT память представляется плоской (линейной) и имеет объем 4 Гб.

Реально ОС имеет в своем распоряжении некоторый объем физической оперативной памяти в виде установленных модулей (этот объем может варьироваться до 4 Гб) плюс объем, который ей разрешено использовать на диске (от 2 Мб, сверху ограничивается администратором). Эта память распределяется между всеми процессами, включая системные, отдельными фрагментами (например, страницами, см. далее). Страницы отдельного процесса располагаются частью в оперативной памяти, частью на диске в порядке, устанавливаемом ОС и в общем случае отличном от их последовательности в самом процессе (его виртуальном адресном пространстве). Эффект увеличения объема памяти достигается за счет вытеснения неактивных страниц на диск.

Таким образом, 4Гб оперативной памяти, с которой работает процесс, – фикция, создаваемая для него операционной системой.

Поскольку виртуальная память – механизм управления памятью, а не предоставляемое ее пространство, корректнее говорить о памяти, предоставляемой процессу посредством этого механизма. Ее объем складывается из доступного объема оперативной памяти и объема разрешенной к использованию дисковой памяти. Тогда справедливо утверждение: объем памяти, предоставляемой процессу механизмом виртуальной памяти, потенциально позволяет адресовать все виртуальное адресное пространство данного процесса. Реально на взаимодействие процессов накладывается целый ряд различных ограничений, в силу которых процессы должны вести себя корректно друг по отношению к другу, и ни один процесс не должен претендовать на всю доступную память. На сегодня «правила хорошего тона» предписывают использовать не более 200 – 500 Мб памяти, самостоятельно организуя программным путем обмен с диском в случае наличия более громоздких структур данных (как, например, это делает Adobe Photoshop).

3. Виды алгоритмов распределения памяти

Исторически выделяются два наиболее общих подхода к распределению памяти, в рамках каждого из которых реализуется ряд алгоритмов:

распределение памяти без использования внешней памяти :

Источник