5.4.5 Подсистема управления памятью

В многозадачных системах пользовательская часть памяти должна быть распределена для размещения нескольких процессов. Задача распределения выполняется ОС динамически, и известна под названием управления памятью. Если в памяти располагается мало процессов, то большие процессы находятся в состоянии ожидания выполнения операции ввода/вывода и загрузки процессора низкая. Поэтому требуется эффективно распределять память, чтобы разместить в ней большее число процессов.

При реализации механизмов и стратегий, связанных с управлением памятью, требуется обеспечить реализацию следующих требований:

1. перемещение;

2. зашита;

3. совместное исполнение;

4. логическая организация;

5. физическая организация.

Перемещение. В многозадачной системе заранее неизвестно, где будет размещена загружаемая программа, кроме этого программа может перемещаться из одной области памяти в другую при спулинге. ОС должна знать местоположение управляющей информации процессов и стека выполнения, а также точку входа в исполняемый код. Т.к. управлением памятью занимается ОС, а также ОС управляет загрузкой процессов в память, соответствующие адреса она получает автоматически. При выполнении программы процесс должен иметь возможность обращения к памяти в самой программе. Таким образом, процессор и программа ОС должны переводить ссылки в коде программы в реальные физические адреса, которые соответствуют текущему расположению программы в основной памяти. Логический адрес представляет ссылку на ячейку памяти, не зависящую от текущего расположения данных в памяти. Относительный адрес – это частный случай логического адреса, когда адрес определяется положением относительно некоторой конкретной точки, обычно начало программы. Физический адрес представляет собой действительный расположение конкретной ячейки программы в основной памяти.

Защита. Каждый процесс должен быть защищен от нежелательного воздействия других процессов, как случайного, так и преднамеренного. Это означает, что из программного кода одного процесса нельзя обращаться к памяти, отведенной под другой процесс, для чтения или записи. Но обеспечение перемещаемости программы усложняет организацию механизма защиты. Требования защиты памяти должны удовлетворятся на уровне аппаратного обеспечения процессов, а не на уровне ОС, так как ОС не может предвидеть, куда будет обращаться программа.

Совместное использование. Предусматривает возможность обращения нескольких процессов к ОП. Если несколько процессов выполняют один и тот же машинный код, то целесообразно разрешить каждому из процессов работать с одной и той же копией этого кода, а не создавать каждому процессу копию. Система управления памятью должна обеспечить управляемый доступ к разделенным областям памяти, не ослабляя при этом защиту памяти.

Логическая организация памяти. И основная память и вторичная (внешняя) организованы как линейное адресное пространство, где элементом адресации является байт или слово. Такая организация отражает систему аппаратного обеспечения, но не соответствует страничной организации программ. Большинство программ организуется из модулей, часть из которых неизменна (используются только для чтения или исполнения), а другие содержат данные, которые могут изменяться.

Если ОС или аппаратное обеспечение ЭВМ могут работать с программами, представленными в виде модулей, то это обеспечивает ряд преимуществ:

- модули могут быть созданы и откомпилированы независимо друг от друга, при этом ссылки из одного модуля во второй разрешается системой во время работы программы;

- разные модули могут получать разные модули защиты;

- возможно применение механизмов совместного использования модулей различными процессами.

Наиболее подходящим способом для решения таких задач является сегментация.

Физическая организация памяти. Память в ЭВМ разделяется как минимум на два уровня - основную и вторичную. Основная обеспечивает быстрый доступ по достаточно высокой цене, она энергозависима, следовательно, не обеспечивает долговременного хранения. Вторичная память медленнее и дешевле, и энергонезависима. Следовательно, она может использоваться для долговременного хранения данных и программ и по емкости значительно превышает основную память. Основная память применяется для хранения программ, используемых в текущее время.

Одной из основных задач ОС является организация потоков информации между основной и вторичной памятью.

Схемы распределения памяти

Основной функцией ОС по управлению памятью является размещение программы в основной памяти для её выполнения процессором. В современных ОС решение этой задачи предполагает использование сложной схемы, называемой виртуальной памятью.

Известно несколько способов распределения памяти:

1. Фиксированное распределение.

ОП разделяется на ряд статических разделов во время генерации системы. Процесс может быть загружен в раздел равного или большего размера.

Положительная сторона - простота реализации и малые системные затраты. Отрицательная сторона – неэффективное использование памяти из-за внутренней фрагментации и фиксированного максимального количества процессов.

2. Динамическое распределение.

Разделы в памяти создаются динамически, каждый процесс загружается в раздел необходимого раздела.

Достоинство - отсутствие внутренней фрагментации, более эффективное использование ОП. Недостаток – существенные затраты процессора на противодействие внешней фрагментации и проведения уплотнения памяти. При выделении памяти, таким образом, применяются три основных алгоритма: наилучший подходящий, первый подходящий, следующий подходящий.

3. Простая страничная организация.

ОП разделена на ряд кадров равного размера. Каждый процесс распределен на некоторое количество страниц равного размера, такой же длины, что и кадры памяти. Процесс загружается путем загрузки всех его страниц, причем страницы не обязательно следуют последовательно.

Достоинство - отсутствие внешней фрагментации. Недостаток – небольшая внутренняя фрагментация, усложняют системное управление распределения памяти.

4. Простая сегментация.

Каждый процесс распределен на ряд сегментов. Процесс загружается путем загрузки всех своих сегментов в динамические, не обязательно смежные, разделы.

Достоинство - отсутствие внутренней фрагментации, улучшается использование памяти по сравнению с динамическим распределением. Недостаток – проблемы с внешней фрагментацией (не столько критично).

5. Страничная организация виртуальной памяти.

Подобна простой страничной организации, но не требуется загружать все страницы процесса. Необходимые нерезидентные страницы автоматически подгружаются в память.

Достоинства – отсутствие внешней фрагментации, более высокая степень многозадачности, большое виртуальное адресное пространство. Недостаток – значительные затраты на управление виртуальной памятью.

6. Сегментация виртуальной памяти.

Подобна простой сегментации, но не требуется загружать все сегменты процесса. Необходимые нерезидентные сегменты автоматически подгружаются в память.

Достоинства - отсутствие внутренней фрагментации, более высокая степень многозадачности, большое виртуальное адресное пространство, поддержка защиты и совместного использования. Недостаток – затраты на управление сложной виртуальной памятью.

7. Система двойников

В ней память распределяется блоками размером , где-минимальный размер выделяемого блока, а-максимальный размер (вся доступная распределенная память). Если запрашивается блок размером, таким что, то выделяется весь блок памяти, в противном случае, блок будет разделен на два одинаковых подблока (двойника), размерами. Если, то выделяется блок, иначе повторяется. Процесс деления продолжается до тех пор, пока не будет сгенерирован наименьший блок, размер которого не меньше.

На каждом уровне введен список свободных и занятых областей памяти.