Учебное пособие 800330

обращение программы к области отображения файла в виртуальном адресном пространстве фактически будет означать доступ к данным этого файла.

Отображение файлов на ВАП широко используется в операционных системах для запуска программ и подключения разделяемых библиотек без необходимости полного считывания соответствующих файлов в память. В результате программы запускаются очень быстро и экономично расходуют ОЗУ.

В конечном итоге, виртуальная память дает следующие преимущества:

решается проблема фрагментации ОЗУ, поскольку непрерывный участок ВАП может быть отображен в несколько несвязанных участков в ОЗУ (см.

рис. 6);

решается проблема нехватки ОЗУ за счет использования свободного места на диске, поскольку теперь не требуется держать в ОЗУ все данные одновременно, то, что не умещается в ОЗУ, можно временно выгрузить на диск;

решается проблема изоляции исполняющихся программ друг от друга и защиты их данных за счет создания собственного ВАП для каждого процесса;

решается проблема безопасного и эффективного межпроцессного взаимодействия за счет создания разделяемых областей памяти;

реализуется альтернативный механизм доступа к данным файлов, более эффективный, чем системные вызовы read/write, при случайном доступе к файлу (когда файл не просто читается или записывается от начала до конца, а выполняется множество независимых обращений

кразличным участкам файла).

31

ВАП ОЗУ

Рис. 6. Представление непрерывной области ВАП в виде отдельных фрагментов в ОЗУ

3.1. Предпосылки создания виртуальной памяти

Необходимость коренным образом реорганизовать подсистему памяти появилась в связи с развитием многозадачности. Однозадачная операционная система отдает всю память в распоряжение текущей выполняемой программы. Максимум, что при этом требуется от операционной системы, это обеспечить защиту собственных программ и данных от злонамеренных или ошибочных действий прикладной программы, и такая задача легко решалась введением в процессоре граничного регистра.

Граничный регистр определял наибольший адрес, по которому еще может обращаться к памяти прикладная программа. Адресное пространство от граничного адреса и выше принадлежит операционной системе, и

32

пользовательская программа не может туда обращаться. Адресное пространство ниже граничного адреса доступно как прикладной программе, так и операционной системе.

Однако, с развитием многозадачности возникли новые специфические требования к подсистеме памяти: прежде всего, потребовалось делить память между программами, выполняющимися параллельно. На практике, это оказалось отнюдь не тривиальной задачей из-за эффекта фрагментации памяти.

Рассмотрим следующий пример. Пусть в системе последовательно запущены программы P1, P2 и P3. Пусть при этом получено распределение памяти, показанное на рис. 7. Программа P4 в этой ситуации не может быть запущена, т.к. для ее размещения недостаточно свободной памяти.

Рис. 7. Распределение памяти после запуска трех программ

Пусть теперь программа P2 завершилась и освободила память. Хотя общий объем свободной памяти теперь достаточен для запуска программы P4, она все равно не может начать работать, т.к. свободная память представлена в виде двух фрагментов недостаточного размера.

33

Рис. 8. Распределение памяти после завершения второй программы

Казалось бы, очевидным решением является перемещение в памяти программы P3 вплотную к программе P1. Однако, на практике выполнить такое перемещение далеко не просто. Перемещаемая программа могла ссылаться на абсолютные адреса в памяти, и при перемещении необходимо было бы найти в ее коде и скорректировать все такие ссылки. Это слишком сложная и длительная операция, чтобы использовать ее в качестве основного способа борьбы с фрагментацией.

Мы рассмотрели сейчас наиболее простую ситуацию, когда перед запуском программы заранее известно, сколько памяти ей требуется. Но в программе может использоваться динамическое выделение памяти во время выполнения, и картина распределения памяти становится еще более сложной и запутанной.

До появления системы виртуальной памяти, проблема фрагментации так и не была решена полностью.

Первым шагом к виртуальной памяти стала система свопинга, от английского глагола to swap – обменивать, которая появилась в 60-е годы XX века. Идея свопинга состоит в том, чтобы при нехватке памяти для размещения новой программы, временно выгрузить из оперативной памяти на диск одну или несколько программ. Например, в

34

примере на рис. 8 можно выгрузить программу P1 или P3, чтобы начать выполнение программы P4.

Очевидно, что целесообразность выгрузки той или иной программы должна отдельно оцениваться в каждом конкретном случае. Желательно выгружать простаивающие в данный момент программы. Однако в многопользовательской системе программы могут выгружаться поочередно, после истечения некоторого интервала времени, чтобы создать для всех пользователей иллюзию одновременной работы.

Были созданы весьма совершенные системы свопинга. В наиболее продвинутых из них, на диск могла выгружаться не вся программа целиком, а только ее часть, с целью освободить достаточно памяти при минимальном обмене с диском. Однако к настоящему времени свопинг практически полностью уступил свои позиции системе виртуальной памяти, хотя он еще сохраняется в некоторых операционных системах, например, в системах семейства UNIX, в качестве дополнительного средства оптимизации памяти.

Свопинг в целом удовлетворительно решил проблему распределения памяти, но осталась не менее важная проблема защиты данных в памяти компьютера, которую свопинг совершенно не затрагивает.

Оказалось, что совсем не просто предложить механизм, позволяющий надежно и с минимальными накладными расходами обеспечить защиту данных одной программы от несанкционированного доступа со стороны другой программы. В конечном итоге, проблемы защиты и совместного использования данных были полностью решечены только после появления виртуальной памяти.

35

3.2. Подсистема трансляции адресов

Во всех современных вычислительных платформах механизм трансляции адресов основывается на ведении специальных таблиц, содержащих информацию о соответствии между виртуальными и физическими адресами – таблицах трансляции адресов. Эти таблицы должны быть доступны процессору в любой момент времени, поэтому они хранятся в оперативной памяти и никогда не выгружаются на диск. Очевидно, что нельзя прямо записать в таблицы трансляции адресов соответствие между каждым виртуальным и физическим адресом, так как для этого потребуется сохранять объем информации, превышающий объем ОЗУ.

Выходом является использование поблочного отображения. Виртуальное адресное пространство разбивается на непрерывные блоки некоторого размера. Каждый такой блок ВАП отображается в аналогичный непрерывный блок в оперативной памяти. При этом в таблицах трансляции адресов сохраняется только соответствие между началом блока ВАП и началом блока физического (реального) адресного пространства, что позволяет обойтись относительно компактными таблицами трансляции адресов.

Адресное пространство может разделяться на блоки одинакового или различного размера. В первом случае говорят о страничной организации ВАП, во втором – о

сегментной.

При сегментной организации ВАП, когда каждый блок может иметь произвольный размер, размеры блоков могут быть согласованы с размерами структур данных или программ (подпрограмм, функций, библиотек) в них. Тогда на уровне виртуальной памяти возникают удобные

36

ассоциации: один блок ВАП – одна структура данных или одна процедура. Однако при сегментной организации ВАП остается проблема фрагментации оперативной памяти, поскольку в ОЗУ в случайные моменты времени должны размещаться блоки произвольного размера.

При использовании виртуальной памяти проблема фрагментации ОЗУ относительно легко разрешима: можно переместить блоки памяти в ОЗУ (выполнить дефрагментацию) или выгрузить некоторые блоки данных из ОЗУ во вторичную память. Но все это ведет к дополнительным накладным расходам и росту числа обменов с диском (это медленная операция, существенно снижающая общую производительность системы).

Проблема фрагментации ОЗУ полностью решается при использовании страничной организации ВАП, когда адресное пространство памяти разбивается на блоки одинакового размера. Такие блоки в ВАП обычно называют страницами (page), а в оперативной памяти –

страничными кадрами (page frame), но иногда используют термины физическая страница или страница в ОЗУ.

Любая страница любого ВАП может быть отображена в произвольный страничный кадр ОЗУ.

Начальные адреса страниц в ВАП и начальные адреса страничных кадров в ОЗУ всегда кратны размеру страницы, за счет чего полностью исключается внешняя фрагментация как ВАП, так и ОЗУ. Действительно, адресное пространство ОЗУ заранее поделено на целое число страничных кадров, располагаемых друг за другом без промежутков между ними. При этом в ОЗУ просто не может быть свободного участка, размер которого не кратен размеру страницы. Поэтому не может образовываться фрагментов свободной памяти, не способных вместить хотя бы одну страницу.

37

Помимо решения проблемы фрагментации, при страничной организации упрощается контроль за величиной смещения внутри блока, чтобы предотвратить выход за пределы блока. Как будет ясно в дальнейшем, после рассмотрения методов трансляции адресов, если размер страницы кратен целой степени двойки, то выход за границу страницы за счет смещения просто невозможен.

К недостаткам страничной организации следует отнести потерю логической связи между блоками в ВАП и структурами данных. В отличие от сегментной модели ассоциация: один блок ВАП – одна структура данных больше не работает.

Это может создавать определенные неудобства при управлении доступом к данным в ВАП, а также при выделении и освобождении памяти в ВАП. Поэтому многие современные операционные системы, оставаясь в рамках страничной модели, позволяют приложениям оперировать виртуальными сегментами, объединяя в такие сегменты некоторое количество последовательных страниц.

Очевидно, что в отличии от «чистой» сегментной модели в данной сегментно-страничной модели накладываются ограничения на начальные адреса и размеры сегментов – они должны быть кратны размеру страницы, но на практике данные ограничения не являются существенными.

Также необходимо отметить, что при страничной и сегментно-страничной организации ВАП вместо внешней фрагментации адресного пространства наблюдается внутренняя фрагментация, когда потерянная (не используемая) память относится к занятым, а не к свободным блокам. Проблема состоит в том, что размеры реальных структур данных и фрагментов кода не

38

согласованы с размером страницы, а размер выделенных блоков в памяти должен быть кратен размеру страницы. Поэтому для размещения любых данных всегда потребуется выделять немного больше памяти, чем требуется, округлив требуемый объем памяти вверх до целого числа страниц. При этом часть выделенной памяти не будет использована, эту потерянную память относят к внутренней фрагментации.

Если средний размер выделяемых сегментов памяти больше страницы, то на каждый сегмент в среднем из-за внутренней фрагментации будет теряться объем памяти, равный половине страницы, что в большинстве случаев не существенно.

Рассмотрим теперь базовые варианты построения системы трансляции виртуальных адресов в физические.

3.2.1. Метод прямого отображения

Метод прямого отображения является наиболее простым и понятным. Его сущность поясняет рис. 9.

Виртуальный адрес разбивается на две составляющие: номер блока в виртуальном адресном пространстве и смещение внутри блока. По номеру блока находят соответствующую запись в таблице отображения, и если данный блок отображается в ОЗУ, то из таблицы считывают адрес начала блока в ОЗУ. Затем начальный адрес блока складывают со смещением (вторая компонента виртуального адреса), и находят физический адрес в ОЗУ, соответствующий данному виртуальному адресу.

39

виртуальный адрес

начальный адрес таблицы (своя таблица для каждого ВАП)

номер блока смещение внутри блока

Рис. 9. Метод прямого поблочного отображения

40