Организация и структура виртуальной памяти в операционных системах . Концепция виртуализации

      Алгоритм  FIFO ассоциирует с каждым сегментом время, когда он был помещён в память. Для замещения выбирается наиболее старый сегмент. Учет времени необязателен, когда все сегменты в памяти связаны в FIFO-очередь и каждый помещаемый в память сегмент добавляется в хвост этой очерёди. Алгоритм учитывает только время нахождения сегмента в памяти, но не учитывает фактическое использование сегментов. Например, первые загруженные сегменты программы могут содержать переменные, используемые на протяжении работы всей программы. Это приводит к немедленному возвращению к только что замещенному сегменту.

      Для реализации дисциплин LRU и LFU необходимо, чтобы процессор имел дополнительные аппаратные средства. Минимальные требования - достаточно, чтобы при обращении к дескриптору сегмента для получения физического адреса, с которого сегмент начинает располагаться в памяти, соответствующий бит обращения менял свое значение (скажем, с нулевого, которое установила ОС, в единичное). Тогда диспетчер памяти может время от времени просматривать таблицы дескрипторов исполняющихся задач и собирать для соответствующей обработки статистическую информацию об обращениях к сегментам. В результате можно составить список, упорядоченный либо по длительности не использования (для дисциплины LRU), либо по частоте использования (для дисциплины LFU).

      Важнейшей проблемой, которая возникает при  организации мультипрограммного режима, является защита памяти. Для того чтобы выполняющиеся приложения не смогли испортить саму ОС и другие вычислительные процессы, необходимо, чтобы доступ к таблицам сегментов с целью их модификации был обеспечен только для кода самой ОС. Для этого код ОС должен выполняться в некотором привилегированном режиме, из которого можно осуществлять манипуляции с дескрипторами сегментов, тогда как выход за пределы сегмента в обычной прикладной программе должен вызывать прерывание по защите памяти. Каждая прикладная задача должна иметь возможность обращаться только к своим собственным сегментам.

      При использовании сегментного способа  организации виртуальной памяти появляется несколько интересных возможностей. Во-первых, появляется возможность  при загрузке программы на исполнение размещать её в памяти не целиком, а «по мере необходимости». Действительно, поскольку в подавляющем большинстве  случаев алгоритм, по которому работает код программы, является разветвлённым, а не линейным, то в зависимости  от исходных данных некоторые части  программы, расположенные в самостоятельных  сегментах, могут быть и не задействованы; значит, их можно и не загружать в оперативную память. Во-вторых, некоторые программные модули могут быть разделяемыми. Эти программные модули являются сегментами, и в этом случае относительно легко организовать доступ к таким сегментам. Сегмент с разделяемым кодом располагается в памяти в единственном экземпляре, а в нескольких таблицах дескрипторов сегментов исполняющихся задач будут находиться указатели на такие разделяемые сегменты.

      Однако  у сегментного способа распределения  памяти есть и недостатки. Прежде всего, из рис. 2.7 видно, что для получения доступа к искомой ячейке памяти необходимо потратить намного больше времени. Мы должны сначала найти и прочитать дескриптор сегмента, а уже потом, используя данные из него о местонахождении нужного нам сегмента, можем вычислить и конечный физический адрес. Для того чтобы уменьшить эти потери, используется кэширование - то есть те дескрипторы, с которыми мы имеем дело в данный момент, могут быть размещены в сверхоперативной памяти (специальных регистрах, размещаемых в процессоре).

      Несмотря  на то, что этот способ распределения  памяти приводит к существенно меньшей  фрагментации памяти, нежели способы  с неразрывным распределением, фрагментация остается. Кроме этого, мы имеем большие  потери памяти и процессорного времени  на размещение и обработку дескрипторных  таблиц. Ведь на каждую задачу необходимо иметь свою таблицу дескрипторов сегментов. А при определении  физических адресов необходимо выполнять  операции сложения.

      Поэтому следующим способом разрывного размещения задач в памяти стал способ, при  котором все фрагменты задачи одинакового размера и длины, кратной степени двойки, чтобы  операции сложения можно было заменить операциями конкатенации (слияния). Это - страничный способ организации виртуальной  памяти.

      Примером  использования сегментного способа  организации виртуальной памяти является операционная система для  ПК OS/2 первого поколения¹, которая была создана для процессора i80286. В этой ОС в полной мере использованы аппаратные средства микропроцессора, который специально проектировался для поддержки сегментного способа распределения памяти.

      OS/2 v.l поддерживала распределение памяти, при котором выделялись сегменты программы и сегменты данных. Система позволяла работать как с именованными, так и неименованными сегментами. Имена разделяемых сегментов данных имели ту же форму, что и имена файлов. Процессы получали доступ к именованным разделяемым сегментам, используя их имена в специальных системных вызовах. OS/2 v.l допускала разделение программных сегментов приложений и подсистем, а также глобальных сегментов данных подсистем. Вообще, вся концепция системы OS/2 была построена на понятии разделения памяти: процессы почти всегда разделяют сегменты с другими процессами. В этом состояло существенное отличие от систем типа UNIX, которые обычно разделяют только реентерабельные программные модули между процессами.

      Сегменты, которые активно не использовались, могли выгружаться на жесткий  диск. Система восстанавливала их, когда в этом возникала необходимость. Так как все области памяти, используемые сегментом, должны были быть непрерывными, OS/2 перемещала в основной памяти сегменты таким образом, чтобы максимизировать объём свободной физической памяти. Такое размещение называется компрессией или перемещением сегментов (уплотнением памяти). Программные сегменты не выгружались, поскольку они могли просто перезагружаться с исходных дисков. Области в младших адресах физической памяти, которые использовались для запуска DOS-программ и кода самой OS/2, не участвовали в перемещении или подкачке. Кроме этого, система или прикладная программа могли временно фиксировать сегмент в памяти с тем, чтобы гарантировать наличие буфера ввода/вывода в физической памяти до тех пор, пока операция ввода/вывода не завершится.

      Если  в результате компрессии памяти не удавалось создать необходимое  свободное пространство, то супервизор выполнял операции фонового плана для  перекачки достаточного количества сегментов из физической памяти, чтобы  дать возможность завершиться исходному  запросу.

      Механизм  перекачки сегментов использовал  файловую систему для перекачки  данных из физической памяти и в  неё. Ввиду того, что перекачка  и сжатие влияют на производительность системы в целом, пользователь может  сконфигурировать систему так, чтобы  эти функции не выполнялись.

      Было  организовано в OS/2 и динамическое присоединение обслуживающих программ. Программы OS/2 используют команды удаленного вызова. Ссылки, генерируемые этими вызовами, определяются в момент загрузки самой программы или её сегментов. Такое отсроченное определение ссылок называется динамическим присоединением. Загрузочный формат модуля OS/2 представляет собой расширение формата загрузочного модуля DOS. Он был расширен, чтобы поддерживать необходимое окружение для свопинга сегментов с динамическим присоединением. Динамическое присоединение уменьшает объём памяти для программ в OS/2, одновременно делая возможным перемещения подсистем и обслуживающих программ без необходимости повторного редактирования адресных ссылок к прикладным программам. 

      Страничный  способ организации  виртуальной памяти 

      Как мы уже сказали, при таком способе  все фрагменты программы, на которые  она разбивается (за исключением  последней её части), получаются одинаковыми. Одинаковыми полагаются и единицы  памяти, которые мы предоставляем  для размещения фрагментов программы. Эти одинаковые части называют страницами и говорят, что память разбивается  на физические страницы, а программа  - на виртуальные страницы. Часть виртуальных страниц задачи размещается в оперативной памяти, а часть - во внешней. Обычно место во внешней памяти, в качестве которой в абсолютном большинстве случаев выступают накопители на магнитных дисках (поскольку они относятся к быстродействующим устройствам с прямым доступом), называют файлом подкачки или страничным файлом (paging file). Иногда этот файл называют swap-файлом, тем самым подчеркивая, что записи этого файла - страницы - замещают друг друга в оперативной памяти. В некоторых ОС выгруженные страницы располагаются не в файле, а в специальном разделе дискового пространства. В UNIX-системах для этих целей выделяется специальный раздел, но кроме него могут быть использованы и файлы, выполняющие те же функции, если объёма раздела недостаточно.

      Разбиение всей оперативной памяти на страницы одинаковой величины, причем величина каждой страницы выбирается кратной  степени двойки, приводит к тому, что вместо одномерного адресного  пространства памяти можно говорить о двумерном. Первая координата адресного пространства - это номер страницы, а вторая координата - номер ячейки внутри выбранной страницы (его называют индексом). Таким образом, физический адрес определяется парой (P_p, i), а виртуальный адрес - парой (P_v, i), где P_v - это номер виртуальной страницы, P_p - это номер физической страницы и i - это индекс ячейки внутри страницы. Количество битов, отводимое под индекс, определяет размер страницы, а количество битов, отводимое под номер виртуальной страницы, - объём возможной виртуальной памяти, которой может пользоваться программа. Отображение, осуществляемое системой во время исполнения, сводится к отображению P_v в P_p и приписывании к полученному значению битов адреса, задаваемых величиной i. При этом нет необходимости ограничивать число виртуальных страниц числом физических, то есть не поместившиеся страницы можно размещать во внешней памяти, которая в данном случае служит расширением оперативной.

      Для отображения виртуального адресного  пространства задачи на физическую память, как и в случае с сегментным способом организации, для каждой задачи необходимо иметь таблицу страниц для трансляции адресных пространств. Для описания каждой страницы диспетчер памяти ОС заводит соответствующий дескриптор, который отличается от дескриптора сегмента прежде всего тем, что в нем нет необходимости иметь поле длины - ведь все страницы имеют одинаковый размер. По номеру виртуальной страницы в таблице дескрипторов страниц текущей задачи находится соответствующий элемент (дескриптор). Если бит присутствия имеет единичное значение, значит, данная страница сейчас размещена в оперативной, а не во внешней памяти и мы в дескрипторе имеем номер физической страницы, отведенной под данную виртуальную. Если же бит присутствия равен нулю, то в дескрипторе мы будем иметь адрес виртуальной страницы, расположенной сейчас во внешней памяти. Таким образом и осуществляется трансляция виртуального адресного пространства на физическую память. Этот механизм трансляции проиллюстрирован на рис. 2.8.

      Защита  страничной памяти, как и в случае с сегментным механизмом, основана на контроле уровня доступа к каждой странице. Как правило, возможны следующие  уровни доступа: только чтение; чтение и запись; только выполнение. В этом случае каждая страница снабжается соответствующим  кодом уровня доступа. При трансформации  логического адреса в физический сравнивается значение кода разрешенного уровня доступа с фактически требуемым. При их несовпадении работа программы прерывается.

      При обращении к виртуальной странице, не оказавшейся в данный момент в  оперативной памяти, возникает прерывание и управление передаётся диспетчеру памяти, который должен найти свободное место. Обычно предоставляется первая же свободная страница. Если свободной физической страницы нет, то диспетчер памяти по одной из вышеупомянутых дисциплин замещения (LRU, LFU, FIFO, random) определит страницу, подлежащую расформированию или сохранению во внешней памяти. На её место он разместит ту новую виртуальную страницу, к которой было обращение из задачи, но её не оказалось в оперативной памяти.

      Напомним, что алгоритм выбирает для замещения  ту страницу, на которую не было ссылки на протяжении наиболее длинного периода  времени. Дисциплина LRU (least recently used) ассоциирует с каждой страницей время последнего её использования. Для замещения выбирается та страница, которая дольше всех не использовалась.

      Для использования дисциплин LRU и LFU в процессоре должны быть соответствующие аппаратные средства. В дескрипторе страницы размещается бит обращения (подразумевается, что на рис. 2.8 этот бит расположен в последнем поле), и этот бит становится единичным при обращении к дескриптору.

      Если  объём физической памяти небольшой  и даже часто требуемые страницы не удается разместить в оперативной  памяти, то возникает так называемая «пробуксовка». Другими словами, пробуксовка - это ситуация, при которой загрузка нужной нам страницы вызывает перемещение во внешнюю память той страницы, с которой мы тоже активно работаем. Очевидно, что это очень плохое явление. Чтобы его не допускать, желательно увеличить объём оперативной памяти (сейчас это стало самым простым решением), уменьшить количество параллельно выполняемых задач либо попробовать использовать более эффективные дисциплины замещения. В абсолютном большинстве современных ОС используется дисциплина замещения страниц LRU как самая эффективная. Так, именно эта дисциплина используется в OS/2 и Linux. Однако в такой ОС, как Windows NT, разработчики, желая сделать систему максимально независимой от аппаратных возможностей процессора, пошли на отказ от этой дисциплины и применили правило FIFO. А для того, чтобы хоть как-нибудь сгладить её неэффективность, была введена «буферизация» тех страниц, которые должны быть записаны в файл подкачки на диск¹ или просто расформированы. Принцип буферирования прост. Прежде чем замещаемая страница действительно будет перемещена во внешнюю память или просто расформирована, она помечается как кандидат на выгрузку. Если в следующий раз произойдет обращение к странице, находящейся в таком «буфере», то страница никуда не выгружается и уходит в конец списка FIFO. В противном случае страница действительно выгружается, а на её место в «буфере» попадает следующий «кандидат». Величина такого «буфера» не может быть большой, поэтому эффективность страничной реализации памяти в Windows NT намного ниже, чем у вышеназванных ОС, и явление пробуксовки начинается даже при существенно большем объёме оперативной памяти.