ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.06.2021
Просмотров: 256
Скачиваний: 1
Лекция 8. Управление памятью в ОС
4.1. Понятие об организации и управлении физической памятью в операционных системах
4.2. Методы связного распределения основной памяти
4.2.1. Связное распределение памяти для одного пользователя
4.2.2. Связное распределение памяти при мультипрограммной обработке
4.2.3. Стратегии размещения информации в памяти
4.3. Организация виртуальной памяти
4.3.1. Основные концепции виртуальной памяти
4.3.2. Страничная организация виртуальной памяти
4.3.3. Сегментная организация виртуальной памяти
4.3.4. Странично-сегментная организация виртуальной памяти
4.4. Управление виртуальной памятью
4.4.1. Стратегии управления виртуальной памятью
4.4.2. Стратегии вталкивания (подкачки)
4.4.3. Стратегии размещения
4.4.4. Стратегии выталкивания
4.1. Понятие об организации и управлении физической памятью в операционных системах
Организация и управление основной (первичной, физической, реальной) памятью вычислительной машины - один из важнейших факторов, определяющих построение операционных систем. В англоязычной технической литературе память обозначается синонимами memory и storage.
В операционных системах различают два вида памяти: основная (первичная) и внешняя (вторичная).
Основная память (main storage) - оперативная память центрального процессора или ее часть, представляющее собой единое пространство памяти.
Внешняя память (external storage) - память, данные в которой доступны центральному процессору посредством операций ввода-вывода.
Для непосредственного выполнения программ или обращения к данным необходимо, чтобы они размещались в основной памяти. Внешняя память имеет, как правило, гораздо большую емкость, чем основная, стоит дешевле и позволяет хранить данные и программы, которые должны быть наготове для обработки.
Кроме основной и внешней памяти в современных ЭВМ существует дополнительная быстродействующая память, называемая кэш-памятью.
Все три перечисленных вида памяти образуют иерархию памяти вычислительной машины (см. рис.4.1).
Операционным системам с несколькими уровнями иерархии памяти свойственна высокая интенсивность челночных обменов программами и данными между физическими устройствами памяти различных уровней. Такие обмены отнимают системные ресурсы (например, время центрального процессора), которые можно было бы использовать более продуктивно.
Основная память представляет собой один из самых дорогостоящих ресурсов. Главной задачей при разработке ОС считается оптимальное использование основной памяти на основе рациональной организации и управления ею.
Под организацией памяти понимается то, каким образом представляется и как используется основная память.
В операционных системах применяются следующие виды представления основной памяти:
-
фиксированными блоками равного размера;
-
фиксированными разделами неодинакового размера;
-
динамическими разделами, размеры которых изменяются в ходе работы вычислительной системы.
Использование основной памяти может осуществляться следующими способами:
-
размещение в памяти единовременно только одной программы пользователей;
-
размещение в памяти одновременно нескольких программ пользователей;
-
размещение программ пользователей в конкретном заранее заданном разделе основной памяти;
-
размещение каждой программы пользователя в одном непрерывном (односвязном) пространстве основной памяти;
-
размещение программы пользователя в несмежных областях оперативной памяти (при этом ОС осуществляет разбиение размещаемых там программ на отдельные блоки и обеспечивает связь этих блоков между собой).
В операционных системах может применяться любая комбинация перечисленных видов представления и способов использования основной памяти ЭВМ.
Независимо от того, какая схема организации памяти принята для конкретной ОС, необходимо решить, какие стратегии следует применять для достижения оптимальных характеристик.
Стратегии управления памятью определяют, как будет работать память с конкретной схемой организации при различных подходах к решению следующих вопросов:
-
когда следует поместить новую программу в память;
-
в какое место основной памяти будет размещаться очередная программа;
-
как разместить очередную программу в памяти (с минимизацией потерь памяти или с максимизацией скорости размещения);
-
какую из находящихся в памяти программ следует вывести из памяти, если необходимо обязательно разместить новую программу, а память уже заполнена.
В существующих ОС реализованы стратегии управления, по-разному отвечающие на перечисленные выше вопросы, что в немалой степени обусловлено имеющимися в распоряжении разработчиков аппаратурными и программными средствами.
Стратегии управления памятью делятся на следующие категории:
-
стратегии выборки;
-
стратегии размещения;
-
стратегии замещения.
В свою очередь стратегии выборки разделяют на две подкатегории:
-
стратегии выборки по запросу (по требованию);
-
стратегии упреждающей выборки.
Стратегии выборки ставят своей целью определить, когда следует “втолкнуть” очередную программу (или блок программы) или данные в основную память.
Стратегии размещения ставят своей целью определить, в какое место основной памяти следует размещать поступающую программу. Наиболее распространенными являются стратегии размещения, реализующие принципы занятия “первого подходящего”, “наиболее подходящего” и “наименее подходящего” по размерам свободного участка памяти.
Стратегии замещения ставят своей целью определить, какой блок программы или данных следует вывести (“вытолкнуть”) из основной памяти, чтобы освободить место для размещения вновь поступающих программ или данных.
При реализации стратегий размещения операционные системы часто учитывают требования связного распределения памяти для программ и данных.
Связное распределение памяти - такое распределение основной памяти ЭВМ, при котором каждая программа занимает один непрерывный (связный) блок ячеек памяти.
Несвязное распределение памяти - такое распределение основной памяти ЭВМ, при котором программа пользователя разбивается на ряд блоков (сегментов, страниц), которые могут размещаться в основной памяти в участках, не обязательно соседствующих друг с другом (в несмежных участках). В этом случае обеспечивается более эффективное использование пространства основной памяти.
Эффективность той или иной стратегии размещения можно оценить с помощью коэффициента использования памяти h
(4.1)
где Vп - объем памяти, занимаемый программами пользователя; Vоп - полный объем основной памяти; Vос - объем памяти, занимаемый операционной системой; Vо - объем памяти, доступный для распределения.
4.2. Методы связного распределения основной памяти
4.2.1. Связное распределение памяти для одного пользователя
Связное распределение памяти для одного пользователя, называемое также одиночным непрерывным распределением, применяется в ЭВМ, работающих в пакетном однопрограммном режиме под управлением простейшей ОС.
Вся основная часть ЭВМ, не занятая программами операционной системы, выделяется программе единственного на данном отрезке времени пользователя. Размер программы в этом случае ограничивается размером доступной основной памяти, однако существует возможность выполнения программ, размер которых превышает размер основной памяти, используя механизм оверлеев.
Организация памяти при связном распределении для одного пользователя показана на рис. 4.2.
Коэффициент использования памяти для рассматриваемого случая вычисляется по формуле
h с1=Vп/Vo, (4.2)
где Vп - размер программы пользователя; Vо - объем доступной для распределения основной памяти ЭВМ.
Функциями ОС в данном случае являются:
-
выделение программе необходимого пространства памяти;
-
защита памяти;
-
освобождение памяти.
Функция выделения памяти сводится к предоставлению программе всей доступной памяти ЭВМ.
Защита памяти в однопрограммных системах заключается в установке защиты областей памяти, занятых операционной системой, от воздействия программ пользователя. Эта функция реализуется при помощи одного регистра границы, встроенного в центральный процессор. Регистр границы содержит либо старший адрес команды, относящийся к операционной системе, либо младший адрес доступной программе основной памяти (адрес начала программы). Если программа пользователя пытается войти в область операционной системы, то вырабатывается прерывание по защите памяти, и программа аварийно завершается.
4.2.2. Связное распределение памяти при мультипрограммной обработке
При мультипрограммной обработке в памяти компьютера размещается сразу несколько заданий. Распределение памяти между заданиями в этом случае может быть выполнено следующими способами:
-
распределение фиксированными разделами;
-
распределение переменными разделами;
-
распределение со свопингом.
Распределение фиксированными разделами имеет две модификации:
а) с загрузкой программ в абсолютных адресах;
б) с загрузкой перемещаемых модулей.
При загрузке перемещаемых модулей вся оперативная память машины разбивается на некоторое количество разделов фиксированного размера. Размеры разделов могут не совпадать. В каждом разделе может быть размещено только одно задание.
В случае загрузки программ в абсолютных адресах при их подготовке указывается начальный адрес загрузки программ, совпадающий с начальным адресом раздела, в котором эта программа будет выполняться.
В случае загрузки перемещаемых модулей раздел, в котором будет размещено задание, либо автоматически определяется операционной системой в соответствии с реализованной в нем стратегией выбора раздела (“первый подходящий”, “самый подходящий”, “самый неподходящий”), либо указывается операционной системе специальными командами языка управления заданиями.
В обоих случаях задание монопольно владеет всем объемом оперативной памяти раздела, в который оно было помещено операционной системой.
Коэффициенты использования памяти при распределении с фиксированными разделами вычисляется по формулам:
(4.3)
(4.4)
где h СMi - коэффициент использования памяти i-го раздела; VОi - размер i-го раздела; VПi - длина программы, помещенной в i-ый раздел; NФ - количество разделов; VО - общий объем оперативной памяти, доступной для распределения.
Основным недостатком распределения памяти фиксированными разделами является неэффективное использование ресурсов вычислительной системы из-за возможного появления длинных очередей заданий, ожидающих освобождения конкретного раздела в то время, как остальные разделы пусты. Подобная ситуация изображена на рис. 4.3. Задания, ожидающие освобождения раздела С, могли бы разместиться и в разделах А или В, однако операционная система не позволяет им это сделать, т.к. в управляющей информации указан конкретный раздел, в котором эти задания должны выполняться - раздел С.
Способ распределения памяти фиксированными разделами используется в операционных системах ОС ЕС и IBM/360 в режиме MFT, в котором загрузка программ выполняется перемещаемыми модулями.
Защита памяти при распределении фиксированными разделами выполняется аналогично защите памяти для одного пользователя, только теперь необходимо наличие нескольких граничных регистров - по два регистра на каждый раздел. В одном из граничных регистров указывается нижняя граница раздела, а во втором - его верхняя граница. Если программа пользователя пытается обратиться к данным, расположенным вне области адресов данного раздела, то вырабатывается прерывание по защите памяти.
В мультипрограммных системах с фиксированными разделами наблюдается явление фрагментации памяти.
Фрагментация памяти - появление в памяти вычислительной машины чередования занятых и незанятых (свободных) участков оперативной памяти.
При распределении фиксированными разделами появление фрагментации обусловлено тем, что либо задания пользователей не полностью занимают выделенные им разделы, либо часть разделов остается незанятой.
На рис.4.4. показано проявление фрагментации оперативной памяти.
Уровень фрагментации можно оценить коэффициентом фрагментации Kф, вычисляемый по формуле
(4.5)
где Vдi - размер i-ой “дыры”, т.е. i-го участка свободной памяти, ограниченного программами пользователей; NД - количество “дыр”, т.е. участков свободной памяти, лежащих между программами пользователей; Vo - объем оперативной памяти, доступной для распределения.
Фрагментация памяти представляет собой нарушение односвязности пространства свободной памяти ЭВМ, что приводит к снижению эффективности использования памяти как одного из основных ресурсов вычислительной машины.
Распределение памяти переменными разделами предназначено для повышения эффективности использования оперативной памяти ЭВМ. Суть способа распределения памяти переменными разделами состоит в том, что заданиям, когда они поступают, выделяется такой объем памяти, который им требуется, т.е. размер раздела оперативной памяти, выделяемой каждому заданию, в точности соответствует размеру этого задания. Поэтому “перерасхода” памяти, как это происходит при распределении фиксированными разделами, в данном способе не наблюдается.
Имеется две модификации способа распределения переменными разделами:
-
распределение переменными неперемещаемыми разделами;
-
распределение переменными перемещаемыми разделами.
При распределении памяти переменными неперемещаемыми разделами (динамическими разделами) операционная система создает две таблицы: таблицу учета распределенных областей памяти и таблицу учета свободных областей памяти (“дыр”).
При поступлении очередного задания память для него отводится на этапе долгосрочного планирования, причем выделение памяти осуществляется по информации из таблицы учета “дыр” в соответствии с принятой в ОС стратегией размещения (“первый подходящий”, “самый подходящий”. “самый неподходящий”). При успешном распределении ОС корректирует обе таблицы - распределенных и свободных областей.
После окончания какого-либо задания занимаемый им участок памяти освобождается, и операционная система корректирует таблицу распределенных областей, вычеркивая из нее информацию о закончившемся задании, а также заносит в таблицу свободных областей данные о вновь появившейся “дыре”.
Рассмотрим следующий пример. Пусть начальное распределение памяти переменными разделами выполнено так, как показано в табл.4.1, 4.2 и на рис. 4.5а. После размещения заданий А, В, С и Д осталась свободная область такого размера, что ни одна из программ, продолжающих стоять в очереди, в эту область не помещается.