Тема 4.3 Управление виртуальной памятью

Студент должен:

знать:

- назначение виртуальной памяти;

- организацию памяти.

Понятие виртуального ресурса. Отображение виртуальной памяти в реальную. Общие методы реализации виртуальной памяти. Размещение страниц по запросам. Страничные кадры. Таблица отображения страниц. Динамическое преобразование адресов. Сегментная организация памяти.

Хотя за различными современными устройствами хранения скрываются действительно сложные технологии, обычному системному администратору не обязательно знать все детали. На самом деле системные администраторы должны всегда помнить только об одном:

Оперативной памяти никогда не бывает достаточно.

Хотя это утверждение может показаться шуткой, многие конструкторы операционных систем тратят очень много времени, стараясь уменьшить следствия этого вполне реального недостатка. Для этого они реализуют виртуальную память — способ объединить ОЗУ с более медленным хранилищем, чтобы это выглядело, как будто в компьютере установлено больше памяти.

Ответить на этот вопрос можно просто: остальная часть приложения находится на диске. Другими словами, диск служит своего рода дополнением оперативной памяти; большое хранилище в некотором роде «поддерживает» более быструю память меньшего объёма.

Все методы управления памятью имеют одну и ту же цель — хранить в памяти мультипрограммную смесь, необходимую для мультипрограммирования. Рассмотренные ранее методы предполагали, что вся программа перед выполнением должна быть размещена в основной памяти. Виртуальная память — это технология, которая позволяет выполнять процесс, который может только частично располагаться в основной памяти. Таким образом, виртуальная память позволяет выполнять программы, размеры которых превышают размеры физического адресного пространства.

Понятие «адрес памяти» может рассматриваться с двух точек зрения. С одной стороны, при написании любой программы ее автор либо явно указывает, по каким адресам должны размещаться переменные и команды (так бывает при программировании на языке ассемблера), либо присвоение конкретных адресов доверяется системе программирования. Те адреса памяти, которые записаны в программе, принято называть виртуальными адресами.

С другой стороны, каждой ячейке памяти компьютера соответствует ее адрес, который должен помещаться на шину адреса при каждом обращении к ячейке. Эти адреса называются физическими.

В настоящее время программирование в физических адресах может использоваться лишь в очень специальных случаях. Как правило, ни программист, пишущий программу, ни компилятор, транслирующий ее в машинные коды, не должны рассчитывать на использование конкретных физических адресов.

Но тогда возникает вопрос, когда и каким образом должен происходить переход от виртуальных адресов к физическим.

Есть два принципиально разных ответа на этот вопрос.

В системах, не рассчитанных на использование специальных аппаратных средств преобразования адресов, замена виртуальных адресов на физические может быть выполнена только программным путем. Это должно быть сделано до начала работы программы, либо на этапе компоновки программы, либо (в более поздних системах) при загрузке программы из файла в память.

В современных системах, предназначенных для работы на процессорах с сегментной или страничной организацией памяти, программа даже после загрузки в память содержит виртуальные адреса. Преобразование в физические адреса выполняется при выборке каждой команды из памяти, при обращении к ячейкам данных – т.е. при каждом использовании адреса. Конечно, это возможно только в том случае, если имеется специальная аппаратура, позволяющая преобразовывать адреса практически без потери времени.

Рисунок 4.11 – Виртуальная память

По своей сути ВП не такая уж сложная структура напротив, недостаток оперативной памяти компенсируется наличием свободного дискового пространства которое задействовано вроли ОП. Необходимо понимать, что часть программ, которые мы не смогли разместить в ОП из-за её нехватки, (см. нач. § 3) теперь будут размещены на диске и это будет эквивалентно размещению в оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность всех ячеек памяти оперативной и внешней, имеющих сквозную нумерацию от нуля до предельного значения адреса.

Системы виртуальной памяти создают для процессов иллюзию наличия большего объема памяти, чем реально существует в компьютере.

1) Перемещение страниц по запросу (demand paging). Виртуальная память чаще всего реализуется на базе страничной организации памяти, совмещенной со свопингом страниц.

Свопингу подвергаются только те страницы, которые необходимы процессору. Таким образом, перемещение страниц по запросу означает:

· программа может выполняться CPU, когда часть страниц находится в основной памяти, а часть — во внешней;

· в процессе выполнения новая страница не перемещается в основную память до тех пор, пока в ней не возникла необходимость.

Для учета распределения страниц между внешней и основной памятью каждая строка таблицы страниц дополняется битом местонахождения страницы (valid/invalid bit).

В том случае, если процессор пытается использовать страницу, помеченную значением invalid, возникает событие, называемое страничная недостаточность (paging fault).

Страничная недостаточность вызывает прерывание выполнения программы и передачу управления операционной системе. Реакция операционной системы на страничную недостаточность заключается в том, что необходимая страница загружается в основную память.

Основные этапы обработки страничной недостаточности (рис. 4.12):

1. Процессор, прежде чем осуществлять преобразование логического адреса в физический, проверяет значение бита местонахождения необходимой страницы.

2. Если значение бита invalid, то процесс прерывается и управление передается операционной системе для обработки события страничная недостаточность.

3. Отыскивается необходимая страница во вторичной памяти и свободная страничная рамка в основной.

4. Требуемая страница загружается в выбранную страничную рамку.

5. После завершения операции загрузки редактируется соответствующая строка таблицы страниц, в которую вносится базовый адрес и значение бита местонахождения — valid.

6. Управление передается прерванному процессу.

Рисунок 4.12 - Обработка страничной недостаточности

Метод обмена страниц по запросу позволяет начать выполнение процесса даже в том случае, когда ни одна страница этого процесса не загружена в основную память.

Вторичная память, используемая при обмене страниц по запросу, — это высокоскоростное дисковое устройство, часто называемое оборудованием свопинга (swap device), а часть используемого дискового пространства — пространство свопинга (swap space).

2) Замещение страниц. В процессе обработки страничной недостаточности операционная система может обнаружить, что все страничные рамки основной памяти заняты и, следовательно, невозможно загрузить требуемую страницу. В этом случае возможны следующие режимы: приостановка прерванного процесса, использование метода замещения страниц.

Метод замещения страниц состоит в том, что в основной памяти выбирается наименее важная/используемая страница, называется страница-жертва (victim page), которая временно перемещается в пространство свопинга, а на ее место загружается страница, вызываемая страничной недостаточностью.

Обработка страничной недостаточности с учетом замещения осуществляется по следующему алгоритму:

• определяется местонахождение страницы путем анализа бита местонахождения;

• если значение бита invalid, то разыскивается свободная страничная рамка;

• если имеется свободная страничная рамка, то она используется;

• если свободной страничной рамки нет, то используется алгоритм замещения, который выбирает страницу-жертву;

• страница-жертва перемещается в пространство свопинга и таблица страниц редактируется;

• требуемая страница загружается на место страницы-жертвы и соответствующим образом редактируется таблица страниц.

Управление передается прерванному процессу.

Для практического использования метода обмена страниц по запросу необходимы два алгоритма:

• алгоритм распределения страничных рамок (frame allocation algorithm);

• алгоритм замещения страниц (page replacement algorithm).

Алгоритм распределения страничных рамок. Алгоритм распределения страничных рамок решает, сколько страничных рамок в основной памяти выделить каждому из процессов мультипрограммной смеси. Алгоритм замещения страниц решает, какую из страниц выбрать в качестве жертвы.

FIFO (first-in-first-out). Наиболее простым алгоритмом замещения страниц является алгоритм FIFO. Этот алгоритм ассоциирует с каждой страницей время, когда эта страница была помещена в память. Для замещения выбирается наиболее старая страница.

Учет времени необязателен, когда все страницы в памяти связаны в FIFO-очередь, а каждая помещаемая в память страница добавляется в хвост очереди.

Алгоритм LRU (least recently used). Алгоритм выбирает для замещения ту страницу, на которую не было ссылки на протяжении наиболее длинного периода времени. Для замещения выбирается та страница, которая дольше всех не использовалась.

Дата добавления: 2014-12-07