ОС / 6. ОС - Управление памятью

11

Преобразование сегментного адреса

При обращении к виртуальному адресу в сегменте, отсутствующем в памяти:

генерируется исключение (внутреннее аппаратное прерывание);

при обработке исключения система ищет свободное место для сегмента в памяти;

если в памяти нет достаточно большого свободного интервала, система выбирает сегмент(ы) для вытеснения;

если вытесняется «грязный» сегмент, то он записывается на диск;

требуемый сегмент считывается в память;

обновляется информация в строке таблицы сегментов;

повторяется обращение к виртуальному адресу, но теперь сегмент уже присутствует в памяти.

Операционные системы. Управление памятью

12

Реализация сегментной адресации

При переключении процессов ОС должна заменить используемую таблицу сегментов. Для этого обычно в системный регистр записывается адрес таблицы сегментов процесса.

При многократном занятии и освобождении сегментов разного размера возникает фрагментация свободной памяти (разбиение на большое количество небольших участков).

(Это аналогично фрагментации дискового пространства при непрерывном размещении файлов, см. соответствующий раздел.)

Дефрагментация выполняется путем перемещения сегментов в памяти. При этом необходимо скорректировать базовые адреса сегментов в таблицах сегментов соответствующих процессов.

Процесс дефрагментации занимает довольно много времени.

Операционные системы. Управление памятью

13

Реализация сегментной адресации

В некоторых системах (например, Windows 3.x) сегмент может быть в двух состояниях, переключаемых программой:

фиксированный сегмент не должен перемещаться в памяти;

перемещаемый сегмент может перемещаться системой, однако программа не может обращаться к адресам в таком сегменте, поскольку его местоположение не определено.

Когда программа не работает с сегментом данных, она может объявить его перемещаемым, облегчая системе перемещение сегментов. Перед возобновлением работы сегмент объявляется фиксированным.

Изоляция процессов обеспечивается тем, что ОС не должна отображать сегменты разных процессов на одну и ту же область памяти.

И напротив, если требуется общая область памяти для двух или более процессов, она может быть реализована путем отображения сегментов этих процессов на одну и ту же область физической памяти.

Операционные системы. Управление памятью

14

Страничная организация памяти

Страничная организация имеет много общего с сегментной. Основные отличия:

все страницы имеют одинаковый размер (для i86 – 4 КБ);

разделение на страницы выполняется системой автоматически, а не «по смыслу»;

для программиста страничный механизм прозрачен, он видит только единый виртуальный адрес:

старшая часть виртуального адреса – это номер страницы в таблице страниц процесса;

младшая часть – смещение от начала страницы.

Операционные системы. Управление памятью

15

Страничная организация памяти

Для каждой страницы таблица содержит:

флаг использования страницы;

режим доступа (только чтение или возможна запись);

адрес страницы на диске, в файле страниц (pagefile);

флаг присутствия страницы в памяти;

базовый физический адрес в памяти;

флаг «грязная» (если возможна запись).

При каждом обращении к виртуальному адресу аппаратными средствами выполняется преобразование пары «№ страницы : смещение» в физический адрес.

Операционные системы. Управление памятью

16

Преобразование страничного адреса

Виртуальный адрес

Таблица

Физический адрес

Операционные системы. Управление памятью

17

Реализация страничной адресации

В отличие от сегментов, для страниц используется не сложение базового адреса со смещением, а катенация (соединение двух частей в один физический адрес).

При переключении процессов ОС должна заменить используемую таблицу страниц. Для этого в системный регистр записывается адрес таблицы страниц процесса.

Фрагментация памяти невозможна, поскольку все страницы одинакового размера.

Изоляция процессов обеспечивается тем, что ОС не должна отображать страницы разных процессов на одну и ту же физическую страницу (страничный фрейм).

Ввиду небольшого размера страницы таблица страниц может иметь очень большой размер, причем в каждый момент времени используется лишь небольшое подмножество страниц.

Эта проблема решается введением двухуровневой страничной адресации. Старшие разряды адреса указывают адрес таблицы страниц в каталоге таблиц, средние – адрес страницы в таблице, младшие – смещение в странице. Временно вытесняться на диск могут не только отдельные неиспользуемые страницы, но и неиспользуемые таблицы страниц.

Операционные системы. Управление памятью

18

Принцип загрузки страниц по требованию (Demand Paging)

Для страниц, которые будут использоваться программой, закрепляются области в файле на диске, но первоначально не выделяется места в памяти.

При обращении к виртуальному адресу на странице, отсутствующей в памяти:

генерируется исключение;

при обработке исключения системный менеджер памяти ищет свободное место для страницы в памяти;

если в памяти нет свободного страничного фрейма, менеджер выбирает страницу для вытеснения;

если вытесняется «грязная» страница, то она записывается на диск;

требуемая страница считывается в память;

обновляется информация в строке таблицы страниц;

повторяется обращение к виртуальному адресу, но теперь страница уже присутствует в памяти.

Этот подход похож на кэширование диска, но требуется гораздо большая скорость работы, поэтому использование алгоритма LRU проблематично, часто используются более простые алгоритмы.

Операционные системы. Управление памятью

19

Сравнение сегментной и страничной организации

Преимущества сегментной организации:

можно указать режим доступа к сегменту в зависимости от смысла его данных;

удобно работать с двумя или более независимо растущими структурами данных (можно выделить каждой отдельный сегмент);

Если разрядность адреса мала (например, 16 бит), а программа должна использовать много памяти, то можно использовать много небольших сегментов (по 64 КБ).

Преимущества страничной организации:

не надо думать о разбиении программы и данных на сегменты, в распоряжении программиста единое виртуальное адресное пространство;

невозможна фрагментация памяти;

как правило, уменьшается обмен данными с диском.

Общее достоинство обеих архитектур: легко реализуется как изоляция процессов, так и обмен данными через общую область памяти.

Операционные системы. Управление памятью

20

Управление памятью в Windows

Виртуальное адресное пространство каждого процесса в Win32 – 4ГБ.

На самом деле, старшие 2 ГБ зарезервированы для системы.

Из оставшихся 2 ГБ два кусочка по 64КБ в начале и в конце диапазона сделаны недоступными процессам, чтобы облегчить выявление ошибок типа «плохой указатель».

В Windows формально сохраняется и сегментный механизм (поскольку сегментные регистры процессора никуда не делись), однако система просто выделяет процессу один сегмент размером 4 ГБ, и о сегментах можно больше не думать.

Для Win64 адресное пространство – 264 байтов, однако для каждого процесса пользователя доступно «только» 7152 ГБ виртуальных адресов.

Операционные системы. Управление памятью