Глава 9. Алгоритмы управления памятью

Алгоритм планирования использования процессорного времени, рассмотренный в предыдущей главе, в сильной степени зависит от выбранной стратегии управления памятью. Процесс может выполняться, если он хотя бы частично присутствует в основной памяти; ЦП не может исполнять процесс, полностью выгруженный во внешнюю память. Тем не менее, основная память — чересчур дефицитный ресурс, который зачастую не может вместить все активные процессы в системе. Если, например, в системе имеется основная память объемом 8 Мбайт, то девять процессов размером по 1 Мбайту каждый уже не смогут в ней одновременно помещаться. Какие процессы в таком случае следует размещать в памяти (хотя бы частично), а какие нет, решает подсистема управления памятью, она же управляет участками виртуального адресного пространства процесса, не резидентными в памяти. Она следит за объемом доступного пространства основной памяти и имеет право периодически переписывать процессы на устройство внешней памяти, именуемое устройством выгрузки, освобождая в основной памяти дополнительное место. Позднее ядро может вновь поместить данные с устройства выгрузки в основную память.

В ранних версиях системы UNIX процессы переносились между основной памятью и устройством выгрузки целиком и, за исключением разделяемой области команд, отдельные независимые части процесса не могли быть объектами перемещения. Такая стратегия управления памятью называется свопингом (подкачкой). Такую стратегию имело смысл реализовывать на машине типа PDP-11, где максимальный размер процесса составлял 64 Кбайта. При использовании этой стратегии размер процесса ограничивается объемом физической памяти, доступной в системе. Система BSD (версия 4.0) явилась главным полигоном для применения другой стратегии, стратегии "подкачки по обращению" (demand paging), в соответствии с которой основная память обменивается с внешней не процессами, а страницами памяти; эта стратегия поддерживается и в последних редакциях версии V системы UNIX. Держать в основной памяти весь выполняемый процесс нет необходимости, и ядро загружает в память только отдельные страницы по запросу выполняющегося процесса, ссылающегося на них. Преимущество стратегии подкачки по обращению состоит в том, что благодаря ей отображение виртуального адресного пространства процесса на физическую память машины становится более гибким: допускается превышение размером процесса объема доступной физической памяти и одновременное размещение в основной памяти большего числа процессов. Преимущество стратегии свопинга состоит в простоте реализации и облегчении "надстроечной" части системы. Обе стратегии управления памятью рассматриваются в настоящей главе.

9.1 Свопинг

Описание алгоритма свопинга можно разбить на три части: управление пространством на устройстве выгрузки, выгрузка процессов из основной памяти и подкачка процессов в основную память.

9.1.1 Управление пространством на устройстве выгрузки

Устройство выгрузки является устройством блочного типа, которое представляет собой конфигурируемый раздел диска. Тогда как обычно ядро выделяет место для файлов по одному блоку за одну операцию, на устройстве выгрузки пространство выделяется группами смежных блоков. Пространство, выделяемое для файлов, используется статическим образом; поскольку схема назначения пространства под файлы действует в течение длительного периода времени, ее гибкость понимается в смысле сокращения числа случаев фрагментации и, следовательно, объемов неиспользуемого пространства в файловой системе. Выделение пространства на устройстве выгрузки, напротив, является временным, в сильной степени зависящим от механизма диспетчеризации процессов. Процесс, размещаемый на устройстве выгрузки, в конечном итоге вернется в основную память, освобождая место на внешнем устройстве. Поскольку время является решающим фактором и с учетом того, что ввод-вывод данных за одну мультиблочную операцию происходит быстрее, чем за несколько одноблочных операций, ядро выделяет на устройстве выгрузки непрерывное пространство, не беря во внимание возможную фрагментацию.

Так как схема выделения пространства на устройстве выгрузки отличается от схемы, используемой для файловых систем, структуры данных, регистрирующие свободное пространство, должны также отличаться. Пространство, свободное в файловых системах, описывается с помощью связного списка свободных блоков, доступ к которому осуществляется через суперблок файловой системы, информация о свободном пространстве на устройстве выгрузки собирается в таблицу, именуемую "карта памяти устройства". Карты памяти, помимо устройства выгрузки, используются и другими системными ресурсами (например, драйверами некоторых устройств), они дают возможность распределять память устройства (в виде смежных блоков) по методу первого подходящего.

Каждая строка в карте памяти состоит из адреса распределяемого ресурса и количества доступных единиц ресурса; ядро интерпретирует элементы строки в соответствии с типом карты. В самом начале карта памяти состоит из одной строки, содержащей адрес и общее количество ресурсов. Если карта описывает распределение памяти на устройстве выгрузки, ядро трактует каждую единицу ресурса как группу дисковых блоков, а адрес — как смещение в блоках от начала области выгрузки. Первоначальный вид карты памяти для устройства выгрузки, состоящего из 10000 блоков с начальным адресом, равным 1, показан на Рисунке 9.1. Выделяя и освобождая ресурсы, ядро корректирует карту памяти, заботясь о том, чтобы в ней постоянно содержалась точная информация о свободных ресурсах в системе.

На Рисунке 9.2 представлен алгоритм выделения пространства с помощью карт памяти (malloc). Ядро просматривает карту в поисках первой строки, содержащей количество единиц ресурса, достаточное для удовлетворения запроса. Если запрос покрывает все количество единиц, содержащееся в строке, ядро удаляет строку и уплотняет карту (то есть в карте становится на одну строку меньше). В противном случае ядро переустанавливает адрес и число оставшихся единиц в строке в соответствии с числом единиц, выделенных по запросу. На Рисунке 9.3 показано, как меняется вид карты памяти для устройства выгрузки после выделения 100, 50 и вновь 100 единиц ресурса. В конечном итоге карта памяти принимает вид, показывающий, что первые 250 единиц ресурса выделены по запросам, и что теперь остались свободными 9750 единиц, начиная с адреса 251.

Рисунок 9.1. Первоначальный вид карты памяти для устройства выгрузки

алгоритм malloc /* алгоритм выделения пространства с использованием карты памяти */

входная информация:

 (1) адрес /* указывает на тип используемой карты */

 (2) требуемое число единиц ресурса

выходная информация:

 адрес — в случае успешного завершения

 0 — в противном случае

 for (каждой строки карты) 

  if (требуемое число единиц ресурса располагается в строке карты) 

   if (требуемое число == числу единиц в строке)

    удалить строку из карты;

   else отрегулировать стартовый адрес в строке;

   return (первоначальный адрес строки);

 

 

 return (0);

Рисунок 9.2. Алгоритм выделения пространства с помощью карт памяти

Освобождая ресурсы, ядро ищет для них соответствующее место в карте по адресу. При этом возможны три случая:

1. Освободившиеся ресурсы полностью закрывают пробел в карте памяти. Другими словами, они имеют смежные адреса с адресами ресурсов из строк, непосредственно предшествующей и следующей за данной. В этом случае ядро объединяет вновь освободившиеся ресурсы с ресурсами из указанных строк в одну строку карты памяти.

2. Освободившиеся ресурсы частично закрывают пробел в карте памяти. Если они имеют адрес, смежный с адресом ресурсов из строки, непосредственно предшествующей или непосредственно следующей за данной (но не с адресами из обеих строк), ядро переустанавливает значение адреса и числа ресурсов в соответствующей строке с учетом вновь освободившихся ресурсов. Число строк в карте памяти остается неизменным.

3. Освободившиеся ресурсы частично закрывают пробел в карте памяти, но их адреса не соприкасаются с адресами каких-либо других ресурсов карты. Ядро создает новую строку и вставляет ее в соответствующее место в карте.

Рисунок 9.3. Выделение пространства на устройстве выгрузки

Возвращаясь к предыдущему примеру, отметим, что если ядро освобождает 50 единиц ресурса, начиная с адреса 101, в карте памяти появится новая строка, поскольку освободившиеся ресурсы имеют адреса, не соприкасающиеся с адресами существующих строк карты. Если же затем ядро освободит 100 единиц ресурса, начиная с адреса 1, первая строка карты будет расширена, поскольку освободившиеся ресурсы имеют адрес, смежный с адресом первой строки. Эволюция состояний карты памяти для данного случая показана на Рисунке 9.4.

Предположим, что ядру был сделан запрос на выделение 200 единиц (блоков) пространства устройства выгрузки. Поскольку первая строка карты содержит информацию только о 150 единицах, ядро привлекает для удовлетворения запроса информацию из второй строки (см. Рисунок 9.5). Наконец, предположим, что ядро освобождает 350 единиц пространства, начиная с адреса 151. Несмотря на то, что эти 350 единиц были выделены ядром в разное время, не существует причины, по которой ядро не могло бы освободить их все сразу. Ядро узнает о том, что освободившиеся ресурсы полностью закрывают разрыв между первой и второй строками карты, и вместо прежних двух создает одну строку, в которую включает и освободившиеся ресурсы.

Рисунок 9.4. Освобождение пространства на устройстве выгрузки

Рисунок 9.5. Выделение пространства на устройстве выгрузки, описанного во второй строке карты памяти

В традиционной реализации системы UNIX используется одно устройство выгрузки, однако в последних редакциях версии V допускается уже наличие множества устройств выгрузки. Ядро выбирает устройство выгрузки по схеме "кольцевого списка" при условии, что на устройстве имеется достаточный объем непрерывного адресного пространства. Администраторы могут динамически создавать и удалять из системы устройства выгрузки. Если устройство выгрузки удаляется из системы, ядро не выгружает данные на него; если же данные подкачиваются с удаляемого устройства, сначала оно опорожняется и только после освобождения принадлежащего устройству пространства устройство может быть удалено из системы.