- •Введение
- •Управление ресурсами: общие сведения
- •Управление процессами
- •2.1 Состояния процессов и переходы между ними
- •Стратегии и дисциплины планирования загрузки процессоров
- •Стратегия одинакового среднего времени ожидания
- •Дисциплина планирования fifo
- •Справедливая стратегия
- •Дисциплина планирования rr
- •Влияние величины кванта времени на величину средней задержки ответа
- •Стратегия максимальной пропускной способности
- •Дисциплина планирования sjf
- •Дисциплина планирования srt
- •Дисциплина планирования hrrn
- •Стратегия приоритетного планирования
- •Дисциплина лотерейного планирования
- •Дисциплины планирования с множеством очередей
- •Планирование с последовательным прохождением очередей
- •Дисциплина планирования vrr
- •Планирование на основе множества очередей с обратными связями
- •2.3 Планирование в многопользовательской системе – справедливое планирование
- •2.4 Планирование загрузки процессоров в операционных системах реального времени – частотно-монотонное планирование
- •2.5 Планирование загрузки процессоров в многопроцессорных системах
- •Многопроцессорная система с главным процессором
- •Организация с собственным планировщиком для каждого процессора
- •Симметричная многопроцессорная организация (smp)
- •Разбиение системных таблиц
- •Смещение моментов прерывания таймера
- •Стратегия планирования загрузки процессоров в многопроцессорной системе
- •Стратегия распределения загрузки
- •Стратегия максимальной производительности при параллельных вычислениях – бригадное планирование
- •Метод расщепление цикла
- •Метод редукции высоты дерева
- •Параллельное вычисление по альтернативным ветвям
- •Бригадное планирование процессов в многопроцессорной системе
- •2.6 Синхронизация выполнения процессов
- •Алгоритмы взаимоисключения с активным ожиданием
- •Алгоритм 1
- •Алгоритм 2
- •Алгоритм 3
- •Алгоритм 4
- •Алгоритм 5
- •Алгоритм Деккера
- •Алгоритм Петерсона
- •Алгоритм на основе команды процессора "проверить и установить"
- •Алгоритм на основе команды процессора "обменять данные"
- •Недостатки алгоритмов с активным ожиданием
- •Алгоритмы взаимоисключения с блокировкой процессов
- •Открытие объекта синхронизации
- •Закрытие объекта синхронизации
- •Вхождение в критическую секцию
- •Выход из критической секции
- •Замечания по реализации примитивов синхронизации
- •Мониторы
- •2.7 Взаимная блокировка процессов (тупики)
- •Необходимые условия возникновения тупика
- •Методы борьбы с тупиками
- •Предотвращение тупиков
- •Нарушение ожидания дополнительных ресурсов
- •Нарушение неперераспределимости ресурсов
- •Нарушение условия кругового ожидания
- •Устранение тупиков
- •Обнаружение тупиков
- •Управление памятью
- •3.1 Иерархическая модель памяти
- •Оценка среднего времени доступа к данным при использовании многоуровневой модели памяти
- •Локализация ссылок при обращении к памяти
- •3.2 Виртуальная память
- •Предпосылки создания виртуальной памяти
- •Архитектура виртуальной памяти
- •Подсистема трансляции адресов
- •Метод прямого отображения
- •Метод ассоциативного отображения
- •Метод комбинированного отображения
- •Архитектура виртуального адресного пространства
- •Сегментная организация виртуальной памяти
- •Страничная организация виртуальной памяти
- •Сегментно-страничная организация виртуальной памяти
- •Отображение файла на виртуальное адресное пространство
- •Совместное использование данных в оперативной памяти
- •3.3 Основные стратегии управления памятью
- •Стратегии выборки данных
- •Стратегии размещения данных
- •Выделение памяти по стратегии первого подходящего
- •Выделение памяти по стратегии наиболее подходящего
- •Выделение памяти по стратегии наименее подходящего
- •Стратегии замещения данных
- •Замещение с немедленной перезаписью и замещение с буферизацией
- •Замещение с локальной и глобальной областью видимости
- •3.4 Управление виртуальной памятью
- •Выборка в системе виртуальной памяти
- •Реализация выборки по требованию
- •Размещение в системе виртуальной памяти
- •Замещение в системе виртуальной памяти
- •Стратегия выталкивания случайной страницы
- •Оптимальная стратегия
- •Дисциплина fifo – выталкивание наиболее старой страницы
- •Дисциплина lru – выталкивание дольше всего неиспользуемой страницы
- •Дисциплина lfu – выталкивание страницы с наименьшей частотой обращений
- •Дисциплина nru – выталкивание страницы, не используемой в последнее время
- •Часовой алгоритм
- •Управление резидентным множеством страниц процесса
- •Понятие рабочего множества страниц процесса
- •Управление резидентными множествами на основе рабочих множеств
- •Глобальное замещение, динамическое резидентное множество
- •Локальное замещение, фиксированное резидентное множество
- •Локальное замещение, динамическое резидентное множество
- •Алгоритм на основе оценки частоты прерываний – дисциплина pff (Page Fault Frequency)
- •Алгоритм с переменным пробным интервалом – дисциплина vsws
- •Влияние размера страницы
- •Оптимизация работы дискового накопителя
- •Оптимизация механических перемещений головок диска
- •Основы устройства и функционирования дисковых накопителей
- •Стратегии оптимизации механических перемещений головок диска
- •Стратегия fcfs – Fist Come First Served
- •Стратегия sstf – Shortest Seek Time First
- •Стратегия scan – Scanning
- •Стратегия n-step scan – n-step Scanning
- •Системный дисковый кэш
- •Структура системного дискового кэша
- •Хэширование, хэш-функции и хэш-очереди
- •Структура блока и очередей дискового кэша
- •Работа системного дискового кэша
- •Упреждающее чтение
- •Реализация дискового кэша на основе виртуальной памяти
- •3.6 Надежность операционной системы при использовании системного дискового кэша
- •Буферизация ввода-вывода на пользовательском уровне
- •3.7 Процессорный кэш
- •Отображение участков озу на процессорный кэш
- •Случайное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Детерминированное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Комбинированное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Работа процессорного кэша в режиме записи данных
- •3.8 Динамическое распределение памяти
- •Куча (heap)
- •Алгоритмы динамического распределения памяти
- •Отложенное объединение свободных блоков
- •Оптимизация списка свободных блоков
- •Метод парных меток для поддержания списка блоков кучи
- •Специальные алгоритмы динамического распределения памяти из кучи
- •Метод близнецов (или метод двойников)
- •Алгоритм выделения блоков памяти одинакового размера
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Замещение с немедленной перезаписью и замещение с буферизацией
Замещение с немедленной перезаписью предполагает, что область памяти, занимаемая выгружаемыми данными, будет сразу же использована для размещения новых данных. Если после этого выгруженные данные снова понадобятся, то их придется заново перенести из нижележащего уровня иерархии.
Замещение с буферизацией данных реализуется более сложно, но зато позволяет с минимальными накладными расходами исправить ситуацию, связанную с ошибочной выгрузкой нужных данных.
Замещение с буферизацией предусматривает поддержание в памяти данного уровня списка блоков памяти, предназначенных для выгрузки. Когда стратегия замещения определяет данные, которые с точки зрения выбранного критерия замещения следует выгрузить из памяти данного уровня, она не освобождает память немедленно, а добавляет ссылку на эту область памяти в конец списка блоков памяти, предназначенных для выгрузки. Для размещения же новых данных используется память, адресуемая одной или несколькими первыми записями этого списка.
Таким образом, если было принято ошибочное решение о замещении данных, которые в скором времени снова понадобились, то эти данные в большинстве случаев удается найти без обращения к нижележащим уровням иерархии.
Замещение с локальной и глобальной областью видимости
При выполнении программ в многозадачной операционной системе, память всегда выделяется от имени и в интересах конкретного процесса. Если память для размещения новых данных в интересах некоторого процесса будет освобождаться из ресурсов того же самого процесса, то говорят об использовании замещения с локальной областью видимости. Если же для размещения новых данных некоторого процесса выгружаться на нижележащие уровни иерархии памяти могут данные произвольного процесса, то говорят, что использовано замещение с глобальной областью видимости.
Оба подхода имеют определенные преимущества и недостатки. Позднее мы подробно рассмотрим их в ходе изучения виртуальной памяти и рабочих множеств.
3.4 Управление виртуальной памятью
Виртуальная память является частным случаем многоуровневой модели памяти, и включает два уровня иерархии: первичную память, реализуемую ОЗУ, и вторичную память, обычно реализуемую дисковым накопителем.
Основные функции управляющих алгоритмов виртуальной памяти сводятся к управлению перемещением данных между ее двумя уровнями. Применительно к виртуальной памяти должны быть рассмотрены все три управляющие стратегии памяти: выборка, замещение и размещение.
Отметим здесь, что наибольшее практическое распространение получила сегментно-страничная организация виртуальной памяти, поэтому при изучении алгоритмов виртуальной памяти будем полагать, что использована именно такая организация.
Выборка в системе виртуальной памяти
В настоящее время в системе виртуальной памяти наибольшее распространение получила стратегия выборки по требованию. Это объясняется следующим:
накладные расходы системных ресурсов для прогнозирования использования страниц памяти зачастую превосходят достигаемый выигрыш;
существует высокая вероятность ошибочного прогноза, из-за чего в ОЗУ будут переноситься лишние страницы, что с одной стороны приведет как к росту непроизводительного обмена с диском, а с другой – к неоправданной выгрузке нужных страниц.
Стратегия выборки по требованию реализуется с минимальными накладными расходами, она предельно экономична по отношению к первичной памяти, т.к. переносит в ОЗУ только те страницы, которые действительно необходимы. При использовании хорошей стратегии замещения, выборка по требованию обеспечивает достаточно высокую производительность виртуальной памяти.
К сожалению, основное достоинство выборки по требованию – перемещение в ОЗУ только реально востребованных страниц, оборачивается серьезным недостатком на начальных этапах работы программы. Проблема состоит в том, что при традиционной реализации выборки по требованию страницы переносятся в первичную память по одной, и на начальном этапе работы программы, пока в ОЗУ не набралось некоторое минимально необходимое множество страниц, почти каждое обращение к памяти вызывает приостановку программы для загрузки в первичную память очередной страницы. Для решения этой проблемы, в современных операционных системах при запуске новой программы в ОЗУ обычно переносится сразу несколько последовательных страниц, следующих за первой страницей программы, содержащей точку входа.