Распределение памяти подвижными разделами

 

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область (рис. 9). В дополнение к функциям, кото­рые выполняет ОС при распределении памяти динамическими разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одно­го места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом за­вершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вы­числительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором – реже выполняется процедура сжатия.

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполне­ния, то в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью пе­ремещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое пре­образование адресов.

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памя­ти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает пре­имущества данного метода.

 

Рис. 9. Распределение памяти перемещаемыми разделами

 

 

Концепция сжатия применяется и при использовании других методов распреде­ления памяти, когда отдельному процессу выделяется не одна сплошная область памяти, а несколько несмежных участков памяти произвольного размера (сег­ментов). Такой подход был использован в ранних версиях OS/2, в которых па­мять распределялась сегментами, а возникавшая при этом фрагментация устра­нялась путем периодического перемещения сегментов.

 

Свопинг и виртуальная память

 

Понятие свопинга

 

Необходимым условием для того, чтобы программа могла выполняться, являет­ся ее нахождение в оперативной памяти. Только в этом случае процессор может извлекать команды из памяти и интерпретировать их, выполняя заданные дейст­вия. Объем оперативной памяти, который имеется в компьютере, существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса. Он ограничи­вает число одновременно выполняющихся программ и размеры их виртуальных адресных пространств. В некоторых случаях, когда все задачи мультипрограмм­ной смеси являются вычислительными (т. е. выполняют относительно мало операций ввода-вывода, разгружающих центральный процессор), для хорошей загрузки процессора может оказаться достаточным всего 3–5 задач. Однако если вычислительная система загружена выполнением интерактивных задач, то для эффективного использования процессора может потребоваться уже несколько де­сятков, а то и сотен задач.

Большое количество задач, необходимое для высокой загрузки процессора, тре­бует большого объема оперативной памяти. В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся оперативной памяти недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно вы­гружаются на диск.

В мультипрограммном режиме помимо активного процесса, т.е. процесса, коды которого в настоящий момент интерпретируются процессором, имеются приостановленные процессы, находящиеся в ожидании завершения ввода-выво­да или освобождения ресурсов, а также процессы в состоянии готовности, стоя­щие в очереди к процессору. Образы таких неактивных процессов могут быть временно, до следующего цикла активности, выгружены на диск. Несмотря на то, что коды и данные процесса отсутствуют в оперативной памяти, ОС “знает” о его существовании и в полной мере учитывает это при распределении процессорного времени и других системных ресурсов. К моменту, когда подходит очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оператив­ную память. Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает, то на диск выгружается другой процесс.

Такая подмена (виртуализация) оперативной памяти дисковой памятью позво­ляет повысить уровень мультипрограммирования – объем оперативной памяти компьютера теперь не столь жестко ограничивает количество одновременно вы­полняемых процессов, поскольку суммарный объем памяти, занимаемой образа­ми этих процессов, может существенно превосходить имеющийся объем опера­тивной памяти. Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которы­ми он в действительности не обладает. В данном случае в распоряжение приклад­ного программиста предоставляется виртуальная оперативная память, размер которой намного превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программу, а транслятор, используя виртуальные адреса, переводит ее в машинные коды так, как будто в распоряжении програм­мы имеется однородная оперативная память большого объема. В действитель­ности же все коды и данные, используемые программой, хранятся на дисках и только при необходимости загружаются в реальную оперативную память. По­нятно, однако, что работа такой “оперативной памяти” происходит значительно медленнее.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью программ­ных модулей ОС и аппаратных схем процессора и включает решение следующих задач:

 размещение данных в запоминающих устройствах разного типа, например часть кодов программы – в оперативной памяти, а часть – на диске;

 выбор образов процессов или их частей для перемещения из оперативной па­мяти на диск и обратно;

 перемещение по мере необходимости данных между памятью и диском;

 преобразование виртуальных адресов в физические.

Очень важно то, что все действия по организации совместного использования диска и оперативной памяти – выделение места для перемещаемых фрагментов, настройка адресов, выбор кандидатов на загрузку и выгрузку – осуществляются операционной системой и аппаратурой процессора автоматически, без участия программиста, и никак не сказываются на логике работы приложений.

Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных под­ходов:

 свопинг (swapping) – образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

 виртуальная память (virtual memory) – между оперативной памятью и дис­ком перемещаются части (сегменты, страницы и т. п.) образов процессов.

Свопинг представляет собой частный случай виртуальной памяти и, следователь­но, более простой в реализации способ совместного использования оператив­ной памяти и диска. Однако подкачке свойственна избыточность: когда ОС ре­шает активизировать процесс, для его выполнения, как правило, не требуется за­гружать в оперативную память все его сегменты полностью – достаточно загрузить небольшую часть кодового сегмента с подлежащей выполнению инст­рукцией и частью сегментов данных, с которыми работает эта инструкция, а так­же отвести место под сегмент стека. Аналогично при освобождении памяти для загрузки нового процесса очень часто вовсе не требуется выгружать другой про­цесс на диск целиком, достаточно вытеснить на диск только часть его образа. Перемещение избыточной информации замедляет работу системы, а также при­водит к неэффективному использованию памяти. Кроме того, системы, поддер­живающие свопинг, имеют еще один очень существенный недостаток: они не способны загрузить для выполнения процесс, виртуальное адресное пространст­во которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Именно из-за указанных недостатков свопинг как основной механизм управле­ния памятью почти не используется в современных OC. На смену ему пришел более совершенный механизм виртуальной памяти, который, как уже было сказано, заключается в том, что при нехватке места в оперативной памяти на диск выгружаются только части образов процессов.

Ключевой проблемой виртуальной памяти, возникающей в результате много­кратного изменения местоположения в оперативной памяти образов процессов или их частей, является преобразование виртуальных адресов в физические. Ре­шение этой проблемы, в свою очередь, зависит от того, какой способ структури­зации виртуального адресного пространства принят в данной системе управ­ления памятью. В настоящее время все множество реализации виртуальной памяти может быть представлено тремя классами:

 Страничная виртуальная память организует перемещение данных между па­мятью и диском страницами – частями виртуального адресного пространст­ва, фиксированного и сравнительно небольшого размера.

 Сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сег­ментами – частями виртуального адресного пространства произвольного раз­мера, полученными с учетом смыслового значения данных.

 Сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деле­ние: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегмен­ты делятся на страницы. Единицей перемещения данных здесь является стра­ница. Этот способ управления памятью объединяет в себе элементы обоих предыдущих подходов.

Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится либо специ­альная область, либо специальный файл, которые во многих ОС по традиции продолжают называть областью, или файлом свопинга, хотя перемещение ин­формации между оперативной памятью и диском осуществляется уже не в фор­ме полного замещения одного процесса другим, а частями. Другое популярное название этой области – страничный файл (page file, или paging file). Текущий размер страничного файла является важным параметром, оказывающим влияние на возможности операционной системы: чем больше страничный файл, тем боль­ше приложений может одновременно выполнять ОС (при фиксированном размере оперативной памяти). Однако необходимо понимать, что увеличение числа одновременно работающих приложений за счет увеличения размера страничного файла замедляет их работу, так как значительная часть времени при этом тра­тится на перекачку кодов и данных из оперативной памяти на диск и обратно. Размер страничного файла в современных ОС является настраиваемым парамет­ром, который выбирается администратором системы для достижения компро­мисса между уровнем мультипрограммирования и быстродействием системы.