3. Стратегии управления страничной памятью

Обычно рассматривают три стратегии:

1) Стратегия выборки (fetch policy) - в какой момент следует переписать страницу из вторичной памяти в первичную. Выборка бывает по запросу и с упреждением. Алгоритм выборки вступает в действие в тот момент, когда процесс обращается к не присутствующей странице, содержимое которой в данный момент находится на диске (в своп файле или отображенном файле), и потому является ключевым алгоритмом свопинга. Он обычно заключается в загрузке страницы с диска в свободную физическую страницу и отображении этой физической страницы в то место, куда было произведено обращение, вызвавшее исключительную ситуацию. Существует модификация алгоритма выборки, которая применяет еще и опережающее чтение (с упреждением), т.е. кроме страницы, вызвавшей исключительную ситуацию, в память также загружается несколько страниц, окружающих ее (так называемый кластер). Такой алгоритм призван уменьшить накладные расходы, связанные с большим количеством исключительных ситуаций, возникающих при работе с большими объемами данных или кода, кроме того, оптимизируется и работа с диском, поскольку появляется возможность загрузки нескольких страниц за одно обращение к диску.

2) Стратегия размещения (placement policy) - определить в какое место первичной памяти поместить поступающую страницу. В системах со страничной организацией в любой свободный страничный кадр (в системах с сегментной организацией - нужна стратегия, аналогичная стратегии с переменными разделами).

3) Стратегия замещения (replacement policy) - какую страницу нужно вытолкнуть во внешнюю память, чтобы освободить место. Разумная стратегия замещения позволяет оптимизировать хранение в памяти самой необходимой информации и тем самым снизить частоту страничных нарушений.

4. Алгоритмы замещения страниц

Итак, наиболее ответственным действием страничной системы является выделение страницы основной памяти для удовлетворения требования доступа к отсутствующей в основной памяти виртуальной странице. Рассматривается ситуация, когда размер каждой виртуальной памяти может существенно превосходить размер оперативной памяти. Это означает, что при выделении страницы оперативной памяти с большой вероятностью не удастся найти свободную (не приписанную к какой-либо виртуальной памяти) страницу. В этом случае операционная система должна в соответствии с заложенными в нее критериями найти некоторую занятую страницу оперативной памяти, переместить в случае надобности ее содержимое во внешнюю память, должным образом модифицировать соответствующий элемент соответствующей таблицы страниц и после этого продолжить процесс удовлетворения доступа к странице.

При замещении приходится дважды передавать страницу между оперативной и внешней памятью. Процесс замещения может быть оптимизирован за счет использования бита модификации (один из атрибутов страницы). Бит модификации устанавливается компьютером, если хотя бы один байт записан на страницу. При выборе кандидата на замещение, проверяется бит модификации. Если бит не установлен, нет необходимости переписывать данную страницу на диск, она уже там. Эта техника также применяется к read-only страницам, они никогда не модифицируются. Эта схема уменьшает время обработки fault'а.

Алгоритмы замещения страниц делятся на:

- глобальные;

- локальные.

Глобальный алгоритм - в случае возникновения исключительной ситуации удовлетворится освобождением любой физической страницы, независимо от того, какому процессу она принадлежала. Глобальные алгоритмы имеют несколько недостатков. Во-первых, они делают одни процессы чувствительными к поведению других процессов. Например, если один процесс в системе использует большое количество памяти, то все остальные приложения будут в результате ощущать сильное замедление из-за недостатка памяти. Во-вторых, некорректно работающее приложение может подорвать работу всей системы (если конечно в системе не предусмотрено ограничение на размер памяти, выделяемой процессу), пытаясь захватить все больше памяти.

Локальные алгоритмы, в отличие от глобальных, распределяют фиксированное или динамически настраиваемое число страниц для каждого процесса. Когда процесс израсходует все предназначенные ему страницы, система будет удалять из физической памяти одну из его страниц, а не из страниц других процессов. В многозадачной системе лучше использовать более сложные, но эффективные локальные алгоритмы. Такой подход требует, чтобы система хранила список физических страниц каждого процесса. Этот список страниц иногда называют рабочим множеством процесса.

Алгоритм обычно оценивается на конкретной последовательности ссылок к памяти, для которой подсчитывается число fault'ов. Эта последовательность называется reference string. Можно генерировать reference string искусственным образом при помощи датчика случайных чисел или трассируя конкретную систему. Последний метод дает слишком много ссылок, для уменьшения числа которых можно сделать две вещи:

1) Для конкретного размера страниц можно запоминать только их номера, а не адреса, на которые идет ссылка.

2) Если имеется ссылка на страницу p ближайшие последующие ссылки на данную страницу можно не фиксировать.

Большинство процессоров имеют простейшие аппаратные средства, позволяющие собирать некоторую статистику обращений к памяти. Эти средства включают два специальных флага на каждый элемент таблицы страниц. Один флаг (флаг обращения, reference бит) автоматически устанавливается, когда происходит любое обращение к этой странице, а второй флаг (флаг изменения, modify бит) устанавливается, если производится запись в эту страницу. Чтобы использовать эти возможности, операционная система должна периодически сбрасывать эти флаги.