Фрагментация
Алгоритмы, описанные нами, приводят к так называемой внешней фрагментации. Загрузка и удаление процессов из памяти, приводит к дроблению свободной памяти на небольшие участки. Внешняя фрагментация присутствует, если свободного адресного пространства достаточно для выполнения запроса, но оно не является непрерывным.
Фрагментация вызывает различные проблемы. В самом плохом случае, свободные блоки располагаются между каждыми двумя процессами. Если бы вся эта память была объединена в единый большой блок, то можно было бы запустить большее количество процессов. Выбор стратегии распределения памяти может повлиять на фрагментацию. Внешняя фрагментация также зависит от общего объема оперативной памяти и среднего размера процесса. Статистика показывает, что даже с некоторой оптимизацией, если выделено N блоков, то 0.5N блоков теряются из-за фрагментации, то есть 1/3 памяти недоступна (правило 50%).
Другая проблема, связанная с распределением памяти с несколькими разделами, состоит в следующем. Рассмотрим блок размером 18464 байта. Предположим, что следующему процессу требуется 1862 байта. Если мы выделим запрашиваемый блок, то свободно останется 2 байта. Накладные расходы на хранение такого блока себя не оправдывают. Общий подход – распределение слишком маленьких блоков как части запрошенных. То есть выделенный участок может быть немного больше запрошенного. Эта разница составляет внутреннюю фрагментацию (память выделена, но не используется).
Одним из решений проблемы внешней фрагментации является уплотнение (дефрагментация). Ее целью является объединение всех свободных участков в один блок.
Уплотнение возможно, только если привязка адресов производится на этапе выполнения программы. Если уплотнение возможно, то следует определить его стоимость. Простейшая стратегия – подвинуть все процессы вверх, но это очень дорого.
На практике возможно частичное уплотнение, то есть передвигается один какой-то блок, чтобы удовлетворить запрос.
Часто совместно с уплотнением используется свопинг. Одним из подходов к уплотнению является вытеснение всех процессов во внешнюю память, а затем их подкачка на новое место. Если в системе уже есть свопинг, то затраты труда программиста на решение этой задачи весьма невелики.
На практике реализация уплотнения памяти сопряжена с усложнением операционной системы и обладает следующими недостатками:
В тех случаях, когда мультипрограммная смесь неоднородна по отношению к размерам программ, возникает необходимость в частом уплотнении, что расходует процессорное время и компенсирует экономию памяти.
Во время уплотнения все прикладные программы переводятся в состояние ожидания, что приводит к невозможности выполнения программ в реальном масштабе времени.
Страничная организация памяти
Описанные выше схемы недостаточно эффективно используют память, поэтому в современных схемах управления памятью не принято размещать процесс в оперативной памяти одним непрерывным блоком.
Страничная организация памяти (paging) относится к методам несмежного размещения процессов в основной памяти. Основное достоинство страничной организации памяти заключается в том, что она позволяет свести к минимуму общую фрагментацию за счет полного устранения внешней фрагментации и минимизации внутренней фрагментации.
Адресные пространства основной памяти разбиваются на блоки фиксированного размера, которые называются физическими страницами или страничными блоками (page frames). Логическое адресное пространство программы также разбивается на блоки того же размера, называемые страницами (pages). Таким образом, одну страницу информации можно загрузить в один страничный блок.
Процесс загружается в память постранично, причем каждая страница помещается в любой свободный страничный блок основной памяти. Рис. 11.6 иллюстрирует аппаратную поддержку базового метода страничной организации памяти.
При страничной организации всякий страницы адрес (логический) представляет собой пару [p,d], где p – номер страницы, а d – смещение относительно начала. Заметим, что разбиение адресного пространства на страницы осуществляется вычислительной системой незаметно для программиста. Поэтому адрес является двумерным лишь с точки зрения операционной системы, а с точки зрения программиста адресное пространство процесса остается линейным.
Каждому процессу ставится в соответствие таблица страниц (page table). Таблица страниц содержит начальные адреса (f) соответствующих страничных блоков в памяти. Физический адрес определяется путем сложения начального адреса соответствующего страничного блока (f) и смещения (d).
Рисунок 11.30 - Базовый метод страничной организации памяти.
Размер
страницы определяется оборудованием.
Обычно это степень двойки в промежутке
от 512 до 8192 байтов. Выбранный таким
образом размер страницы позволяет
упростить преобразование логического
адреса в физический. Пусть логическое
адресное пространство имеет размер
,
размер страницы равен
.
Тогда в старших n-m
разрядов логического адреса будет
храниться номер страницы, а в младших
m разрядах смещение внутри
страницы. Поскольку физические адреса
страниц кратны
,
в таблице страниц можно хранить только
старшие разряды этих адресов (номер
физической страницы). Преобразование
логического адреса к физическому
сводится к склеиванию (конкатенации)
номера физической страницы и смещения
внутри страницы.
Когда процесс начинает выполняться, его адресное пространство разбивается на страницы. Для размещения каждой страницы, требуется страничный блок. Если в памяти имеется необходимое количество страничных блоков, то они выделяются процессу. С точки зрения пользователя, при страничной организации памяти адресное пространство процесса представляет собой непрерывный участок памяти, содержащий только его программу. Фактически же программа пользователя разбросана по всей физической памяти, которая содержит и другие программы. Размещение программ в ОП скрыто от пользователя и управляется операционной системой.
При использовании страничной организации памяти отсутствует внешняя фрагментация. Однако, как правило, имеется некоторая внутренняя фрагментация, поскольку размер адресного пространства процесса обычно не кратен размеру страницы. Поэтому, по крайней мере, один блок будет заполнен лишь частично.
Для управления страничной памятью ОС требуется информация о распределении физической памяти, какие страничные блоки были распределены, какие свободны, сколько всего блоков имеется и т. д. Эта информация хранится в таблице страничных блоков (frame table). Каждому страничному блоку соответствует строка в этой таблице, содержащая информацию о том, занят или свободен этот блок, и если занят, то каким процессом.
Отображение адресов должно быть осуществлено корректно даже в сложных случаях и обычно реализуется аппаратно.