Для выполнения на компьютере какой-либо программы необходимо, чтобы она имела доступ к ресурсам компьютера

Вид материала

Документы

Содержание Другой известной стратегией замещения является стратегия LFU (Least Frequently Управление памятью Только task[0] (холостая задача (см.сноску 3) [Этот термин должен был быть определен ранее] ) использует swapper_pg_dir напрямую Для пользовательского процесса segment_base = 0x00, page_dir для процесса своя. Директории страниц пользователя имеют те же входы, как tt swapper_pg_dir свыше 768. Первые 768 входов представляют пространство 40. Управление памятью

Подобный материал:

• Операционная система компьютера (назначение, состав, загрузка) Назначение, 99.73kb.
• Невырожденные матрицы обратная матрица, 27.2kb.
• Пример настоящей программы для компьютера на языке Лого 16 > Последовательность работы, 4798.61kb.
• Автор программы И. В. Баркова Ф. И. О., Педагога дополнительного образования; квалификационная, 224.25kb.
• Назначение и состав операционной системы компьютера. Загрузка компьютера, 95.4kb.
• Все программы и данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде, 91.55kb.
• 1. Введение Ни одна страна, какой бы крупной и самообеспеченной важнейшими ресурсами, 1012.34kb.
• Белая Холуница Кировская область Описание проекта Название проекта Алгоритмы и основы, 179.54kb.
• Реферат «Защита информации» Ученица 9 класса Гагарина Надежда Руководитель элек- тивного, 55.96kb.
• Языки программирования, 27.65kb.

Система двойников представляет собой разумный компромисс для преодоления недостатков схем фиксированного и динамического распределения, но в современ­ных операционных системах ее превосходит виртуальная память, основанная на страничной организации и сегментации.

34 .Аппаратное обеспечение виртуальной памяти и её управляющие структурыСуть концепции виртуальной памяти заключается в следующем. 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. Для этого, 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.

Сравнивая простую страничную организацию и сегментацию с фиксированным и динамическим распределением памяти, мы видим базу для фундаментального прорыва в технологии управления памятью. Ключевыми для него являются следующие характеристики страничной организации и сегментации.

Все обращения к памяти в рамках процесса представляют собой логические адреса, которые динамически транслируются в физические адреса во время исполнения. Это означает, что процесс может быть выгружен на диск и вновь загружен в основную память, так что во время работы он может находиться в разных местах основной памяти.

Процесс может быть разбит на ряд частей (страниц или сегментов), которые не обязательно должны располагаться в основной памяти единым непрерывным блоком. Это обеспечивается за счет динамической трансляции адресов и использования таблицы страниц или сегментов.

Если в системе выполняются указанные характеристики, то наличие всех страниц или сегментов процесса в основной памяти одновременно не является обязательным условием. Рассмотрим, каким образом это может осуществляться.

Сейчас мы говорим об этой технологии обобщенно, так что для с сегментацией. Предположим, что наступило время загрузки нового процесса в память. Операционная система начинает ее с размещения в памяти только одного или нескольких блоков, включая блок, содержащий начало программы. Часть процесса, располагающаяся в некоторый момент времени в основной памяти, называется резидентным множеством процесса. Во время выполнения процесса все происходит так, как если бы все ссылки были только на резидентное множество процесса. При помощи таблицы сегментов или страниц процессор всегда может определить, располагается ли блок, к которому требуется обращение, в основной памяти. Если процессор сталкивается с логическим адресом, который не находится в основной памяти, он генерирует прерывание, свидетельствующее об ошибке доступа к памяти. Операционная система переводит прерванный процесс в заблокированное состояние и получает управление. Чтобы продолжить выполнение прерванного процесса, операционной системе необходимо загрузить в основную память блок, содержащий вызвавший проблемы логический адрес. Для этого операционная система использует запрос на чтение с диска (во время выполнения которого может продолжаться выполнение других процессов). После того как необходимый блок загружен в основную память, выполняется прерывание ввода-вывода, передающее управление операционной системе, которая, в свою очередь, переводит заблокированный процесс в состояние готовности. Естественно, тут же возникает вопрос об эффективности использования такой технологии, когда выполнение процесса постоянно прерывается только из-за того, что в основной памяти размещены не все его блоки. Отложим пока рассмотрение вопроса эффективности, полагая, что эффективная работа все же возможна, и обратимся к следствиям применения нашей новой стратегии. Их два (причем второе потрясает воображение), и оба приводят к повышению эффективности использования системы.В основной памяти может поддерживаться большее количество процессов. Поскольку в основную память загружаются только некоторые из блоков каждого процесса, мы можем разместить в ней большее количество процессов. Это, в свою очередь, приводит к более эффективному использованию процессора, поскольку повышается вероятность наличия активных процессов в любой момент времени.Процесс может быть больше, чем вся основная память. Преодолено одно из наиболее существенных ограничений в программировании. Обычно программист должен изначально рассчитывать, какое количество памяти потребуется его программе. Если разработанная программа окажется слишком большой, программист должен принять соответствующие меры по разделению программы на части, которые могли бы быть загружены в память в отдельности, с использованием той или иной оверлейной стратегии. В случае использования виртуальной памяти на основе страничной организации или сегментации эта функция передается операционной системе и аппаратному обеспечению. Программе (и программисту) при этом доступен огромный объем памяти, по сути, представляющий собой размер дискового пространства. Операционная система при необходимости автоматически загружает нужные блоки процесса в память.Поскольку процесс выполняется только в основной памяти, эта память называется также реальной (real memory). Однако программист или пользователь имеют дело с потенциально гораздо большей памятью выделенной на диске. Эта память известна как виртуальная (virtual memory). Виртуальная память обеспечивает очень эффективную многозадачность и облегчает работу пользователя, снимая жесткие ограничения относительно объема основной памяти.

35. Внутренней фрагментации – потери части памяти, выделенной процессу, но не используемой им. Фрагментация возникает потому, что процесс не полностью занимает выделенный ему раздел или потому, что некоторые разделы слишком малы для выполняемых пользовательских программ. Мы записываем в файл структуру данных объемом 624 байта, Файл этот предполагается хранить на устройстве с 512-байтовым блоком. В один блок наш файл не помещается, поэтому нужно выделять два блока. Первый блок можно занять целиком, зато во втором блоке будет занято всего 112 байт, а оставшиеся 400 байт не могут быть отданы другому файлу и оказываются потеряны. Это и называется внутренней фрагментацией. Величина потерь при этом зависит от среднего размера файла на диске и размера блока (кластера).

36.

Внешняя фрагментация – наличие большого числа участков неиспользуемой памяти, не выделенной ни одному процессу. Выбор стратегии размещения процесса между первым подходящим и наиболее подходящим слабо влияет на величину фрагментации. Любопытно, что метод наиболее подходящего может оказаться наихудшим, так как он оставляет множество мелких незанятых блоков.

Статистический анализ показывает, что пропадает в среднем 1/3 памяти! Это известное правило 50% (два соседних свободных участка в отличие от двух соседних процессов могут быть объединены).

Одно из решений проблемы внешней фрагментации – организовать сжатие, то есть перемещение всех занятых (свободных) участков в сторону возрастания (убывания) адресов, так, чтобы вся свободная память образовала непрерывную область. Этот метод иногда называют схемой с перемещаемыми разделами. В идеале фрагментация после сжатия должна отсутствовать. Сжатие, однако, является дорогостоящей процедурой, алгоритм выбора оптимальной стратегии сжатия очень труден и, как правило, сжатие осуществляется в комбинации с выгрузкой и загрузкой по другим адресам.

37. Одной из самых простых стратегий замещения страниц является стратегия FIFO (First Input – First Output, что можно перевести как «Первым вошел – первым вышел») Каждой странице присваивается временная метка. Реализуется это просто созданием очереди страниц, в конец которой страницы попадают, когда загружаются в физическую память, а из начала берутся, когда требуется освободить память. Для замещения выбирается старейшая страница. К сожалению, эта стратегия с достаточной вероятностью будет приводить к замещению активно используемых страниц, например страниц кода текстового процессора при редактировании файла. Заметим, что при замещении активных страниц все работает корректно, но page fault происходит немедленно.

Другой известной стратегией замещения является стратегия LFU (Least Frequently

Used, что переводится как «Наименее часто используемый»). В соответствие со стратегией LFU в качестве жертвы всегда выбирается та буферизованная страница, к которой было сделано наименьшее количество обращений за время нахождения ее в буферном пуле. Если две или более буферизованные страницы имеют минимальное количество обращений, то среди них выбирается та, которая дольше всего находилась в буферном пуле.

38. Управление памятью - функция отображения практически неограниченной виртуальной памяти процессов в физическую оперативную память компьютера, которая имеет ограниченные размеры. Соответствующий компонент ядра обеспечивает разделяемое использование одних и тех же областей оперативной памяти несколькими процессами с использованием внешней памяти.

Управление памятью

Основная (или как ее принято называть в отечественной литературе и документации, оперативная) память всегда была и остается до сих пор наиболее критическим ресурсом компьютеров. Если учесть, что большинство современных компьютеров обеспечивает 32-разрядную адресацию в пользовательских программах, и все большую силу набирает новое поколение 64-разрядных компьютеров, то становится понятным, что практически безнадежно рассчитывать, что когда-нибудь удастся оснастить компьютеры основной памятью такого объема, чтобы ее хватило для выполнения произвольной пользовательской программы, не говоря уже об обеспечении мультипрограммного режима, когда в основной памяти, вообще говоря, могут одновременно содержаться несколько пользовательских программ.

Поэтому всегда первичной функцией всех операционных систем (более точно, операционных систем, обеспечивающих режим мультипрограммирования) было обеспечение разделения основной памяти между конкурирующими пользовательскими процессами. Мы не будем здесь слишком сильно вдаваться в историю этого вопроса. Заметим лишь, что применявшаяся техника распространяется от статического распределения памяти (каждый процесс пользователя должен полностью поместиться в основной памяти, и система принимает к обслуживанию дополнительные пользовательские процессы до тех пор, пока все они одновременно помещаются в основной памяти), с промежуточным решением в виде "простого своппинга" (система по-прежнему располагает каждый процесс в основной памяти целиком, но иногда на основании некоторого критерия целиком сбрасывает образ некоторого процесса из основной памяти во внешнюю память и заменяет его в основной памяти образом некоторого другого процесса), до смешанных стратегий, основанных на использовании "страничной подкачки по требованию" и развитых механизмов своппинга.

Операционная система UNIX начинала свое существование с применения очень простых методов управления памятью (простой своппинг), но в современных вариантах системы для управления памятью применяется весьма изощренная техника.

39. Cистема управления памятью в Linux осуществляет подкачку страниц по обращению в соответствии с COPY-ON-WRITE стратегией, основанной на механизме подкачки, который поддерживается 386-м процессором. Процесс получает свои таблицы страниц от родител я (при выполнении fork()) со входами, помеченными как READ-ONLY или замещаемые. Затем, если процесс пытается писать в эту область памяти, и страница является COPY-ON-WRITE страницей, она копируется и помечается как READ-WRITE. Инструкция exec() приводит к считыванию страницы или то же самое происходит при выполнении программы. В дальнейшем процессу затруднительно получить доступ к другой странице. Каждый процесс имеет директорию страниц, что подразумевает возможность доступа к 1КВ таблиц страниц, указывающих на 1МВ 4-х килобайтных страниц, которые размещаются в 4GB памяти. Директория страниц процесса инициализируется при выполнении распараллеливания посредством copy_page_tables(). Директория страниц холостого процесса инициализируется путем выполнения инициализирующей последовательности.

Каждый пользовательский процесс имеет локальную таблицу дескриптора, которая содержит сегмент кода и сегмент данные-стек. Сегментам пользователя отводится память от 0 до 3GB(0xc0000000). В пользовательском пространстве линейные адреса (см. сноску1) и логические адреса (см.сноску2) идентичны.

--- сноска1. В процессоре 80386 значение линейного адреса лежит в пределах 0GB - 4GB. Линейный адрес указывает на область памяти в этом пространстве. Линейный адрес отличен от физического адреса, он является виртуальным.

--- сноска 2. Логический адрес состоит из селектора и смещения. Селектор указывает на сегмент, а смещение говорит о том, где размещена область внутри сегмента.

Код ядра и сегменты данных являются привилегированными сегментами, определяются в таблице глобального дескриптора и размещаются в области от 3GB до 4GB. Установлена директория страниц программы подкачки (swapper_pg_dir) и таким образом логические и физические адреса в пространстве ядра являются идентичными.

Пространство выше 3GB появляется в директории страниц процесса как указатели на таблицы страниц ядра. Эта область прозрачна для процессов в режиме пользователя, однако, планирование распределения памяти становится уместным при привилегированном режиме, например, при выполнении системного вызова.

Режим супервизора вводится внутри контекста текущего процесса, так что трансляция адреса происходит относительно каталога страниц процесса, но используя сегменты ядра. Это идентично тому, как происходит управление памятью с использованием swapper _pg_dir и сегменты ядра как и директории страниц используют те же таблицы страниц в этом пространстве.

Только task[0] (холостая задача (см.сноску 3) [Этот термин должен был быть определен ранее] ) использует swapper_pg_dir напрямую.

---сноска 3. В силу исторических причин иногда называется задача подкачки, хотя при работе Linux с подкачкой она не связана.

Для пользовательского процесса segment_base = 0x00, page_dir для процесса своя.

процесс пользователя выполняет системный вызов: segment_base=0xc0000000 page_dir=та же самая page _dir пользователя

swapper_pg_dir содержит распределение памяти для всех физических страниц от 0xc0000000 до 0xc0000000 + end_mem, так что первые 768 входов в swapper_pg_dir раны 0 и затем имеются 4 или более входов, которые указывают на таблицы страниц ядра

Директории страниц пользователя имеют те же входы, как tt swapper_pg_dir свыше 768. Первые 768 входов представляют пространство пользователя.

В результате всегда, когда линейный адрес превышает 0xc0000000, используются те же таблицы страниц ядра.

Пользовательский стек размещается на вершине сегмента данных пользователя и увеличивается вниз. Стек ядра не является точным представлением структуры данных или сегмента, относительно которой я бы мог сказать "Вы находитесь в стеке ядра". Kernel_stack_frame (страница) связывается с каждым вновь создаваемым процессом и используется всякий раз, когда ядро выполняет действия с контекстом процесса. Неприятности могут произойти, если стек ядра будет расти ниже его текущего кадра.[Где размещен стек ядра? Я знаю, что для каждого процесса существует свой стек, но где он расположен, когда процесс не используется?]

Страницы пользователя могут заниматься или замещаться. Страница пользователя отражается ниже 3GB в таблице страниц пользователя. Эта область не содержит директорий страниц или таблиц страниц. Меняются местами (замещаются) только грязные страницы.

Необходимы незначительные изменения в некоторых местах (например, контроль ограничений на память процесса), чтобы обеспечить возможность программисту определять свои сегменты.

40. Управление памятью

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.