2. Организация управления виртуальной памятью
Виртуальным называется ресурс, который пользовательской программе представляется обладающим свойствами отличными от тех, что он в действительности имеет.
Например, программе разрешено использовать большую виртуальную память, называемую иногда виртуальным адресным пространством. Ее объем может даже превосходить всю доступную реальную память ЭВМ. Содержимое виртуальной памяти, используемой программой, хранится на некотором внешнем устройстве (внешней памятью HDD). По необходимости части этой виртуальной памяти отображаются в реальную память. Ни о внешней памяти, ни о ее отображении в реальную память, программа ничего не знает. Она написана так, как будто бы виртуальная память существует в действительности.
Термин виртуальная память (рис. 5) относится к системам, которые сохраняют виртуальные адреса во время исполнения. Так как второе отображение осуществляется в процессе исполнения задачи, то адреса физических ячеек могут изменяться. При правильном применении такие изменения могут улучшить использование памяти, избавив программиста от деталей управления ею, и даже увеличить надежность вычислений.
Рис. 5 Общий принцип организации виртуальной памяти
С позиции объемов двухэтапной схемы отображения адресов выделяются следующие три ситуации:
1. объем виртуального адресного пространства программы Vv меньшем объема физической памяти Vm. Данная ситуация в настоящее время практически не встречается, но тем не менее это реальное соотношение;
2. Vv = Vm. Встречается очень часто, особенно характерна она была для не дорогих вычислительных комплексов. Для этого случая имеется большое количество методов распределения оперативной памяти.
3. Vv > Vm. Такая ситуация встречается повсеместно во всех современных персональных компьютерах и программах. Для нее имеется несколько методов распределения памяти, отличающихся как сложностью, так и эффективностью.
Страничный способ организации виртуальной памяти.
В системе с размещением страниц по запросу виртуальная память процесса разделена на страницы некоторой фиксированной длинны, которые, как правило, размещаются во внешней памяти. Файл размещения виртуальной памяти называют файлом подкачки или страничным файлом (pagefile.sys). В Unix-системах для этих целей выделяется специальный раздел – swap. Реальная память ЭВМ разделяется на страничные кадры той же длины, что и страницы. Любая страница любого процесса потенциально может быть загружена в любой строчный кадр реальной памяти. Отображение в строчные кадры описывается таблицей отображения страницы (ТОС); для каждого процесса в системе имеется одна ТОС. ТОС используется аппаратурой для преобразования адресов виртуальной памяти программы в соответствующие адреса реальной памяти. Такой перевод виртуальных адресов в реальные, называется динамическим преобразованием адресов.
Возникает вопрос о реализации самих страничных таблиц. Одно из возможных решений заключается в их реализации в виде массивов в центральной памяти. В качестве указателя на начало ТОС текущего активного процесса используется некоторый регистр, устанавливаемый ОС. Этот может оказаться не эффективным, потому что для каждого преобразования требуется быстрый доступ к памяти. Однако в некоторых системах этот способ используется в сочетании с высокоскоростным буфером, служащим для уменьшения среднего времени доступа. Другая возможность заключается в реализации ТОС при помощи специальной высокоскоростной ассоциативной памяти. Такой способ эффективен, но может оказаться слишком дорогим для систем с большой реальной памятью.
При обращении к виртуальной странице, не оказавшейся в данный момент в оперативной памяти, возникает прерывание и управление передается диспетчеру памяти, который должен найти свободное место. Обычно предоставляется первая же свободная страница. Если свободной станицы нет, то диспетчер памяти по одной из дисциплин замещения (LRU – последний из недавно использованных; LFU – используемый реже всех остальных; FIFO – первый пришедший первым и выбывает; random – случайный выбор) определит страницу, подлежащую расформированию или сохранению во внешней памяти. На ее место он разместит ту новую виртуальную страницу, к которой было обращение из задачи, но ее не оказалось в оперативной памяти.
Системы с размещением страниц по запросу избегают нерационального использования памяти в основном при помощи фрагментации, часто связанной со способами организации разделов. Память можно экономить и другими способами. Например, стараются не загружать те части программы, которые в течение определенного времени выполнения не используются. Однако системы с размещением страниц по запросу имеют и другие уязвимые места.
Предположим, что обращение к слову в центральной памяти занимает 1 мкс, а считывание страницы из внешней памяти – в среднем 10 мс (10.000мкс). Предположим также, что в среднем для всех заданий в системе только 1 из 100 обращений к виртуальной памяти вызывает страничное прерывание. Даже при такой очевидно малой величине страничных прерываний система хорошо работать не будет. На каждое 100 обращений (требующих 100 мкс) система потратит 10.000 мкс на считывание страниц из внешней памяти. Т.е., вычислительная система тратит приблизительно 99% своего времени на свопинг страниц и только 1% на полезную работу. Этот полный разлад в работе называется пробуксовкой. Очевидно, что пробуксовка – это очень плохое явление. Чтобы его не допускать необходимо увеличить объем оперативной памяти (сейчас это стало самым простым решением), уменьшить количество параллельно выполняемых задач либо попробовать использовать более эффективные дисциплины замещения.
В абсолютном большинстве современных ОС используется дисциплина замещения LRU (Last Recently Used – дольше других неиспользуемый) как самая эффективная (OS/2, Linux). В операционной системе Windows NT, разработчики, желая сделать систему максимально независимой от аппаратных возможностей процессора, пошли на отказ от этой дисциплины и применили правило FIFO. А для того, чтобы сгладить неэффективность этой стратегии управления виртуальной памятью, была введена буферизация тех страниц, которые должны быть записаны в файл подкачки на диск или просто расформированы. Принцип буферизации прост. Прежде чем замещаемая страница будет перемещена во внешнюю память или просто расформирована, она помечается как кандидат на выгрузку. Если в следующий раз произойдет обращение к странице, находящейся в таком буфере, то страница никуда не выгружается и уходит в конец списка FIFO. В противном случае страница действительно выгружается, а на ее места в буфер попадает следующий кандидат.
Страничный механизм организации виртуальной памяти приводит к тому, что без специальных аппаратных средств он будет существенно замедлять работу вычислительной системы. Поэтому обычно используется кэширование страничных дескрипторов. Наиболее эффективным способом кэширования является использование ассоциативного кэша, широко применяемого в процессорах i80x86.
К основным достоинствам страничной организации виртуальной памяти относится ее малая фрагментация. Поскольку на каждую задачу может приходиться по одной незаполненной странице, то становится очевидным, что память можно использовать достаточно эффективно.
Существуют и два существенных обстоятельства, оцениваемые как недостатки такого способа распределения памяти:
во-первых, это то, что страничная трансляция виртуальной памяти требует существенных накладных расходов, т.к. таблицы страниц нужно то же размещать в памяти. Кроме того, эти таблицы нужно обрабатывать; именно с этим работает диспетчер задач;
во-вторых, то, что программы разбиваются на страницы случайно, без учета логических взаимосвязей, имеющихся в коде. Это приводит к тому, что межстраничные переходы осуществляются чаще за счет чего затрудняется разделение программных моделей между выполняющимися процессами.
Сегментный способ организации виртуальной памяти.
Второй способ организации виртуальной памяти, так называемая сегментная организация памяти. Для этого метода программу необходимо разбивать на части и уже каждой такой части выделять физическую память. естественным способом разбиения программы на части является разбиение ее на логические элементы – сегменты. В принципе каждый программный модуль может быть воспринят как сегмент, и вся программа будет представлять собой множество сегментов. В системе с сегментной организацией виртуальной памяти логический адрес состоит из номера сегмента и величины смещения относительно начала этого сегмента. Физически порядковый номер сегмента будет соответствовать некоторому адресу, с которого этот сегмент начинается при его размещении в памяти, и смещение должно прибавляться к этому базовому адресу.
Преобразование имени сегмента в его порядковый номер осуществляет система программирования, а операционная система будет размещать сегменты в память и для каждого сегмента получит информацию о его начале. Таким образом, виртуальный адрес для этого способа будет состоять из двух полей – номер сегмента и смещение относительно начала сегмента.
Каждый сегмент, размещаемый в памяти, имеет соответствующую информационную структуру называемую дескриптором сегмента. Именно ОС строит для каждого исполняемого процесса соответствующую таблицу дескрипторов сегментов и при размещении каждого из сегментов в оперативной или внешней памяти в дескрипторе отмечает его текущее местоположение. Если сегмент задачи в данный момент находится в оперативной памяти, то об этом делается пометка в дескрипторе – бит присутствия. В этом случае в поле адрес диспетчер памяти записывает адрес физической памяти, с которого сегмент начинается, а в поле длина сегмента указывается количество адресуемых ячеек памяти. Это поле используется не только для того, чтобы размещать сегменты без наложения один на другой, но и для того, чтобы проконтролировать не обращается ли код исполняющейся задачи за пределы текущего сегмента. В случае превышения длины сегмента вследствие ошибок программирования и нарушения адресации с помощью введения специальных аппаратных средств генерируются сигналы прерывания, которые позволяют фиксировать такого рода ошибки.
Если бит присутствия в дескрипторе указывает, что сейчас этот сегмент находится не в оперативной памяти, а во внешней, то поля адреса и длины используются для указания адреса сегмента в координатах внешней памяти. При этом возникает прерывание, и управление передается через диспетчер памяти программе загрузки сегмента. Пока происходит поиск сегмента во внешней памяти и загрузка его в оперативную, диспетчер памяти определяет подходящее для сегмента место. Возможно, что свободного места нет, и тогда принимается решение о выгрузке какого-нибудь сегмента и о его перемещении во внешнюю память. При поиске свободного места используется одна из вышеперечисленных дисциплин (FIFO, LRU, LFU, random).
К достоинствам сегментного способа организации виртуальной памяти относится возможность загружать не всю программу в память, а производить это по мере необходимости.
Однако у сегментного способа есть и недостатки. Прежде всего для получения доступа к искомой ячейке памяти сначала найти и прочитать дескриптор сегмента, а уже потом, используя данные из него о местонахождении нужного сегмента, можно вычислить его физический адрес. Для уменьшения потерь используется кэширование в сверхоперативной памяти (специальных регистрах, размещаемых в процессоре).
Сегментно-страничный способ организации виртуальной памяти.
Как и в сегментном способе распределения памяти, программа разбивается на логические законченные части – сегмента – и виртуальный адрес содержит указание на номер соответствующего сегмента. Вторая составляющая виртуального адреса сегмента – смещение относительно начала сегмента – может состоять из двух полей: виртуальной страницы и индекса. Таким образом, получается, что виртуальный адрес состоит из трех компонентов: сегмент, страница, индекс. Этот способ вносит еще большую задержку доступа к памяти. В следствие чего, несмотря на поддержку в процессорах семейства i80x86, в современных ПК и ОС практически не используется.