11. Менеджер памяти. Порядок определения физического адреса.

Менеджер памяти — часть компьютерной программы (как прикладной, так и операционной системы), обрабатывающая запросы на выделение и освобождение оперативной памяти или (для некоторых архитектур ЭВМ) запросы на включение заданной области памяти в адресное пространство процессора.

Основное назначение менеджера памяти в первом смысле — реализация динамической памяти. Например, в языке C динамическое выделение памяти производится через функцию malloc.

Иерархия менеджеров памяти

Распределение памяти в монопрограммировании.

Менеджеры памяти часто образуют иерархию: нижестоящие менеджеры задействуют какие-либо закономерности выделения-освобождения памяти и этим снижают нагрузку на вышестоящие. Например:

Системный. Сверху находится менеджер памяти, встроенный в ОС. Он вносит ту или иную страницу в адресное пространство процесса — а значит, работает с дискретностью в 4 килобайта и очень медленный.

Принадлежащий процессу. Менеджер памяти, встроенный в стандартную библиотеку языка программирования, берёт у ОС блоки памяти «оптом» и раздаёт их сообразно с нуждами программиста. При этом он знает, что память отдаётся только одному процессу — а значит, синхронизация потоков производится не мютексами, а фьютексами. И переключение в режим ядра происходит в двух случаях: либо когда «оперативного запаса» памяти не хватает и нужно обратиться к ОС, либо когда один из потоков «натыкается» на занятый фьютекс.

Специализированные. Некоторые динамические структуры данных, например, std::vector, также берут память у стандартной библиотеки с запасом (например, блоками по 16 элементов). Таким образом, элементы добавляются по одному, но обращение к вышестоящему менеджеру происходит один раз за 16 элементов. Объектный пул выделяет память под объекты конкретного типа и удобен, если они выделяются-освобождаются в больших количествах, и т. д.

Подобная иерархия приводит к тому, что на каждом из уровней «залёживается» свободная память. Но это оправдано: снижается фрагментация памяти и повышается скорость.

Определение физического адреса.

Конкретизируем задачу и ограничимся рассмотрением определения адреса команды. Для адресации операндов используется аналогичный механизм, только участвуют в этом случае другие сегментные регистры. Напомним, что для определения физического адреса команды содержимое сегментного регистра CS (code segment) умножается на 16 за счет добавления справа (к младшим битам) четырех нулей, после чего к полученному значению прибавляется содержимое указателя команд (регистр IP, instruction pointer). Получается двадцатибитовое значение, которое и позволяет указать любой байт из 220.

В защищенном режиме работы определение физического адреса осуществляется совершенно иначе. Прежде всего используется сегментный механизм для организации виртуальной памяти. При этом адреса задаются 32-битовыми значениями. Кроме этого, возможна страничная трансляция адресов, также с 32-битовыми значениями. Наконец, при работе в защищенном режиме, который по умолчанию предполагает 32-битовый код, возможно исполнение двоичных программ, созданных для работы микропроцессора в 16-битовом режиме. Для этого введен режим виртуальной 16-битовой машины и 20-битовые адреса реального режима транслируются с помощью страничного механизма в 32-битовые значения защищенного режима. Наконец, есть еще один режим -- 16-битовый защищенный, позволяющий 32-битовым микропроцессорам выполнять защищенный 16-битовый код, который был характерен для микропроцессора 80286. Правда, следует отметить, что это последний режим практически не используется, поскольку программ, созданных для него, не так уж и много.

Для изучения этих возможностей рассмотрим сначала новые архитектурные возможности микропроцессоров i80x86.