ОС / 6. ОС - Управление памятью

Операционные системы

Управление памятью

лектор: Дроздов Сергей Николаевич

доцент кафедры МОП ЭВМ ЮФУ

dr@pochtamt.ru _dr@mail.ru

Таганрог 2012 г.

2

Основные задачи управления памятью

В однозадачном режиме:

выделение памяти для процесса пользователя при его запуске и освобождение этой памяти при завершении процесса;

обеспечение настройки запускаемой программы на выделенные адреса памяти;

управление выделенными областями памяти по запросам программы пользователя (например, освобождение части памяти перед запуском порожденного процесса).

В многозадачном режиме – дополнительно:

предоставление процессам возможностей получения и освобождения дополнительных областей памяти в ходе работы;

эффективное использование ограниченного объема основной памяти для удовлетворения нужд всех работающих процессов, в том числе с использованием дисков как расширения памяти;

изоляция памяти процессов, исключающая случайное или намеренное несанкционированное обращение одного процесса к областям памяти, занимаемым другим процессом;

предоставление процессам возможности обмена данными через общие области памяти.

Операционные системы. Управление памятью

3

Физические и виртуальные адреса

Физический адрес ячейки памяти – это ее адрес на шине адреса.

Виртуальный (логический) адрес – это адрес, записанный в программе (при компиляции или при программировании на Ассемблере).

Чтобы выполнить программу, нужно сопоставить физические адреса всем используемым виртуальным адресам.

На ранних этапах развития эти понятия не различались: программа должна была всегда загружаться по одним и тем же адресам.

Это крайне неудобно, если в памяти должны одновременно находиться несколько программ.

Операционные системы. Управление памятью

4

Замена виртуальных адресов физическими

Ранний подход: чисто программная реализация. Замена может выполняться:

при компиляции программы;

при компоновке исполняемого файла;

при его загрузке в память перед запуском.

Современный подход: использование аппаратных возможностей преобразования адресов:

замена выполняется при выполнении каждой команды, при каждом использовании адреса.

Операционные системы. Управление памятью

5

Настройка адресов

При программной замене виртуальных адресов физическими можно выделить три типа программ:

абсолютные – правильно работают только на определенных физических адресах;

позиционно-независимые – правильно работают на любых адресах;

перемещаемые – требуют настройки адресов при загрузке в память.

Способы настройки перемещаемых программ:

древний способ – замена значений всех адресов при загрузке программы. Для этого файл программы должен содержать словарь перемещений – список всех мест в программе, где надо заменить адреса.

более продуктивный подход: адресация «база + смещение». При этом при загрузке нужно только установить правильные значения базовых регистров адреса, а смещения не изменяются.

Операционные системы. Управление памятью

6

Распределение с фиксированными разделами

Раздел G

Раздел F

Администратор системы при установке ОС выполняет разбиение всей имеющейся памяти на несколько разделов.

Как правило, формируются разделы разных размеров.

В ранних системах каждая программа компоновалась для конкретного раздела и только в нем могла работать.

В более развитых системах программа хранится в перемещаемом формате и при запуске выбирается наиболее подходящий по размеру раздел.

Недостаток: неэффективное использование памяти. К одним разделам может выстроиться очередь программ, в то время как другие разделы пустуют.

В принципе, можно разделять один раздел между несколькими программами. Пока одна из них работает, другие (спящие и готовые) перемещаются на диск в файл подкачки (swap file).

Операционные системы. Управление памятью

7

Распределение с динамическими разделами

Предварительного разбиения на разделы нету.

Программы хранятся в перемещаемом формате.

При запуске программы для нее выбирается непрерывная область памяти достаточного размера, которая и объявляется разделом данной программы.

Можно использовать свопинг.

Недостаток: со временем возникает фрагментация памяти, т.е. разбиение свободной памяти на большое число маленьких фрагментов. Это неизбежное следствие того, что память выделяется и освобождается разделами различной длины, причем в произвольном порядке.

Дефрагментация в данном случае затруднительна, поскольку перемещение работающих программ требует перенастройки всех ее адресов.

Операционные системы. Управление памятью

8

Сегментная организация памяти

Требует наличия аппаратных средств преобразования адресов.

Вся виртуальная память, используемая программой, разбивается на части, называемые сегментами.

Это разбиение выполняется либо самим программистом (например, на языке ассемблера), либо компилятором используемого языка программирования.

Размеры сегментов могут быть различными, но в пределах максимального размера, используемого в данной архитектуре.

Разбиение обычно производится на логически осмысленные части: сегмент данных, сегмент кода, сегмент стека и т.п.

Большая программа может содержать несколько сегментов кода и/или данных.

Виртуальный адрес состоит из двух частей:

селектор сегмента;

смещение от начала сегмента.

Операционные системы. Управление памятью

9

Сегментная организация памяти

Селектор сегмента – индекс в таблице сегментов процесса.

Для каждого сегмента таблица содержит:

размер;

режим доступа (только чтение или возможна запись);

флаг присутствия сегмента в памяти;

флаг «грязный» (если возможна запись);

базовый физический адрес в памяти или адрес на диске.

Селектор может либо явно присутствовать в команде как часть адреса, либо подразумеваться в зависимости от смысла конкретного адреса (адрес команды, переменной или стека).

При каждом обращении к виртуальному адресу аппаратными средствами выполняется преобразование пары «сегмент : смещение» в физический адрес.

Операционные системы. Управление памятью

10

Преобразование сегментного адреса

Виртуальный адрес

Селектор Смещение

+

Таблица

Базовый адрес сегмента

сегментов

Физический адрес

Операционные системы. Управление памятью