3.3 Основные стратегии управления памятью

Подсистема управления памятью в составе современной операционной системы должна обеспечить решение следующих задач:

• выделение и освобождение областей памяти для бесконфликтного размещения данных в интересах выполняющихся программ;

• перемещение данных между иерархическими уровнями при использовании многоуровневой модели памяти;

• защита данных, размещенных в памяти, от несанкционированного доступа;

• контролируемый совместный доступ к разделяемым данным, размещенным в памяти, со стороны нескольких выполняющихся программ.

Все современные операционные системы используют виртуальную память. При этом автоматически решаются задачи защиты данных и совместно доступа к ним. В частности, реализация собственного виртуального адресного пространства для каждого исполняющегося процесса исключает возможность несанкционированного доступа к данным. Совместный же доступ к данным, при необходимости, реализуется за счет отображения участков виртуального адресного пространства различных процессов на одну и туже область физической памяти.

Выделение участков памяти в виртуальном адресном пространстве в настоящее время также решается относительно просто благодаря заведомо избыточному объему виртуального адресного пространства. Поэтому наиболее сложной является задача перемещения данных между уровнями памяти, прежде всего, между диском и ОЗУ. От того, насколько удачно будет решена эта задача, существенно зависит производительность памяти, и, следовательно, всего компьютера.

Применительно к многоуровневой архитектуре памяти, решение задачи перемещения данных между иерархическими уровнями требует согласованного решения трех частных подзадач:

• выборка данных – в рамках этой подзадачи требуется вынести решение о том, какие данные следует переместить из нижележащего уровня в вышележащий;

• размещение данных – в рамках этой подзадачи требуется вынести решение о том, где следует разместить данные в памяти уровня-получателя;

• замещение данных – в рамках этой подзадачи требуется вынести решение, о том, какие данные следует переместить на нижележащий уровень, если в памяти данного уровня недостаточно места для размещения новых данных.

Для решения каждой из этих подзадач существует несколько стратегий, рассмотрим наиболее известные из них.

Стратегии выборки данных

Для того, чтобы многоуровневая память функционировала максимально эффективно, требуется, чтобы при запросах к памяти нужные данные находились бы на наиболее высоком уровне иерархии, т.к. запрос к нижележащим уровням памяти требует много времени. Поэтому принятый алгоритм выборки может существенно повлиять на системные характеристики и должен тщательно выбираться и оптимизироваться.

Алгоритм выборки по отношению к многоуровневой памяти, как и любая другая дисциплина управления, реализует некую управляющую стратегию. Существует две стратегии выборки: выборка с упреждением и выборка по требованию.

Выборка с упреждением предполагает использование таких алгоритмов, которые могли бы заранее предсказать, какие именно данные скоро потребуются программе, и заблаговременно переместить эти данные на более высокие уровни иерархии памяти.

Выборка по требованию предусматривает поиск и перемещение данных на вышележащий уровень иерархии памяти только после неудачной попытки обращении к этим данным со стороны исполняющейся программы.

Каждая из этих стратегий имеет свои преимущества и недостатки.

Упреждающая выборка потенциально способна обеспечить более высокую скорость выполнения программ, поскольку при использовании упреждающей выборки программам не придется приостанавливаться после неудачных попыток обращения к памяти и ждать, пока завершится поиск и перемещение запрошенных данных с нижележащих уровней иерархии многоуровневой памяти.

Однако при использовании упреждающей выборки возникает два отрицательных момента:

• прогнозирование будущих обращений к данным в памяти со стороны исполняющихся программ требует выполнения специальных расчетов, следовательно, процессорное время будет тратиться не только на решение полезных задач, но и на решение задач прогнозирования, снижая реальный выигрыш в производительности;

• прогнозирование не может быть выполнено абсолютно точно, поэтому не все данные, перенесенные на верхние уровни иерархии памяти, будут реально востребованы исполняющимися программами, что приведет к перерасходу памяти и возможной выгрузке на более низкий уровень иерархии действительно нужных данных.

Выборка по требованию вынуждает программу приостанавливаться на время поиска и перемещения данных, что является главным недостатком такого подхода. Но при этом на верхние уровни иерархии памяти не переносятся лишние данные, память верхнего уровня расходуется более экономично и выгружать данные на низкие уровни из-за нехватки места приходится реже, а вследствие эффекта локализации ссылок, существует высокая вероятность повторного обращения к ранее перемещенным данным.

Поэтому, при правильной организации стратегии замещения, выборка по требованию оказывается весьма эффективной при практическом использовании. В современных операционных системах обычно используется стратегия выборки по требованию, может быть, в сочетании с элементами упреждающей выборки. Конкретные решения будут показаны позднее на примере конкретных операционных систем.