Книга: Операционная система UNIX

Замещение страниц

Замещение страниц

Ранние версии UNIX работали на компьютерах PDP-11 с 16-разрядной архитектурой и адресным пространством 64 Кбайт. Некоторые модификации позволяли использовать отдельные адресные пространства для кода и данных, накладывая тем не менее существенные ограничения на размер адресного пространства процесса. Это привело к разработке различных схем программных оверлеев (overlay), использовавшихся как для прикладных задач, так и для ядра операционной системы. Суть этих методов заключается в том, что в неиспользуемые участки адресного пространства процесса записываются другие части программы. Например, после запуска системы необходимость в функциях начальной инициализации отпадает и часть памяти, содержащая этот код, может быть использована для хранения других данных или инструкций операционной системы. Не говоря о значительной сложности такого подхода для разработчиков программного обеспечения, использование этих методов приводило к низкой переносимости программ, поскольку они в значительной степени зависели от конкретной организации памяти. Порой даже расширение оперативной памяти требовало внесения модификаций в программное обеспечение.

Механизмы управления памятью сводились к использованию свопинга. Процессы загружались в непрерывные области оперативной памяти целиком, выгружался процесс также целиком. Только небольшое число процессов могло быть одновременно размещено в памяти, и при запуске процесса на выполнение, несколько других процессов необходимо было переместить во вторичную память. Схема управления памятью, основанная на механизме свопинга, показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Управление памятью, основанное на свопинге

Механизм страничного замещения по требованию был реализован в UNIX в 1978 году на новом компьютере VAX-11/780, имевшем 32-разрядную архитектуру, 4 Гбайт адресуемого пространства и аппаратную поддержку страничного механизма. Первой системой UNIX, в которой управление памятью основывалось на страничном замещении по требованию, явилась версия 3.xBSD. Уже в середине 80-х годов все основные версии UNIX обеспечивали страничное замещение в качестве основного механизма, оставляя свопингу вторую роль.

Как уже говорилось в системах с виртуальной памятью, основанной на страничном механизме, адресное пространство процесса разделено на последовательные участки равной длины, называемыми страницами. Такая же организация присуща и физической памяти, и в конечном итоге любое место физической памяти адресуется номером страницы и смещением в ней. Деление адресного пространства процесса является логическим, причем логическим последовательным страницам виртуальной памяти при поддержке операционной системы и аппаратуры (MMU процессора) ставятся в соответствие определенные физические страницы оперативной памяти. Эта операция получила название трансляции адреса.

Однако механизм трансляции адреса является первым условием реализации виртуальной памяти, позволяя отделить виртуальное адресное пространство процесса от физического адресного пространства процессора. Вторым условием является возможность выполнения процесса, чье адресное пространство не имеет полного отображения на физическую память. Чтобы удовлетворить второму условию, каждая страница виртуальной памяти имеет флаг присутствия в оперативной памяти. Если адресуемая страница отсутствует в памяти, аппаратура генерирует страничную ошибку, которая обрабатывается операционной системой, в конечном итоге приводя к размещению этой страницы в памяти. Таким образом, для выполнения процесса является необходимым присутствие в памяти лишь нескольких страниц процесса, к которым в данный момент происходит обращение (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Управление памятью, основанное на страничном замещении по требованию

Вообще говоря, конкретный механизм страничного замещения зависит от того, как реализованы три основных принципа:

1. При каких условиях система загружает страницы в память, т.н. принцип загрузки (fetch policy).

2. В каких участках памяти система размещает страницы, т.н. принцип размещения (placement policy).

3. Каким образом система выбирает страницы, которые требуется освободить из памяти, когда отсутствуют свободные страницы для размещения (или их число меньше некоторого порогового значения), т.н. принцип замещения (replacement policy).

Обычно все физические страницы одинаково подходят для размещения, и принцип размещения не оказывает существенного влияния на работу механизма в целом. Таким образом эффективность управления памятью полностью зависит от двух остальных принципов: загрузки и замещения. В системах с чистым страничным замещением по требованию в память помещаются только требуемые страницы, а замещение производится, когда полностью отсутствует свободная оперативная память. Соответственно, производительность таких систем полностью зависит от реализации принципа замещения. Однако большинство современных версий UNIX не используют чистого страничного замещения по требованию. Вместо этого принцип загрузки предполагает размещение сразу нескольких обращение к которым наиболее вероятно в ближайшее время, а замещение производится до того, как память будет полностью занята.

Описанный механизм управления памятью допускает ситуацию, когда суммарный размер всех выполняющихся в данный момент процессов превышает размер физической памяти, в которой располагается только часть страниц процессов. Содержимое остальных страниц хранится вне физической памяти и должно быть загружено ядром, если процессу требуется доступ к этой части адресного пространства. Однако виртуальное адресное пространство процесса не зависит от фактического расположения физических страниц, и его размещение производится ядром при создании процесса или запуске новой программы. Виртуальное адресное пространство может изменяться в результате динамического размещения памяти (хипа) или увеличения стека процесса.

Таким образом, сам процесс "видит" только собственное виртуальное адресное пространство. Однако физические страницы, соответствующие этому адресному пространству могут в действительности располагаться в различных местах, как это показано на рис. 3.13.

1. Виртуальный адрес может быть ассоциирован со страницей физической памяти. Обращение к виртуальным адресам из диапазона, соответствующего этой странице, приведет к обращению к соответствующим адресам физической памяти. От операционной системы не требуется дополнительных действий при обращении к такой странице.

2. Страница может быть перемещена в область свопинга, если требуется освободить память для другого процесса. Обращение к виртуальному адресу, соответствующему этой странице, приведет к страничной ошибке, что, в свою очередь, потребует от ядра размещения новой страницы в памяти, записи ее содержимого из области свопинга и соответствующего изменения карты отображения (записи таблицы страниц) таким образом, чтобы виртуальный адрес указывал на новую страницу. Если потребуется опять переместить такую страницу в область свопинга, ядро сделает это только в том случае, если с момента последней загрузки произошла модификация страницы.

3. Адресуемая страница отсутствует в памяти, но ее содержимое находится в файле на диске. Типичными примерами такой ситуации могут служить страницы сегмента кода или области файлов, отображенных в памяти. Обращение к виртуальному адресу, соответствующему этой странице, приведет к страничной ошибке, что, в свою очередь, потребует от ядра новой страницы в памяти, записи ее содержимого из файла и соответствующего изменения карты отображения (записи таблицы страниц) таким образом, чтобы виртуальный адрес указывал на новую страницу.

4. Адресуемая страница отсутствует в памяти и она не ассоциирована ни с областью свопинга, ни с файлом. Типичным примером такой ситуации является страница сегмента неинициализированных данных. Обращение к такой странице потребует размещения новой страницы, заполненной нулями.

Рис. 3.13. Возможное местонахождение физических страниц процесса

Ядро должно иметь достаточную информацию обо всех страницах, отсутствующих в памяти для того, чтобы при необходимости загрузить их в память. Для страниц, перемещенных во вторичную память, необходимо знать их расположение в области свопинга. Ядро должно иметь возможность распознать, что страницу необходимо заполнить нулями или загрузить ее содержимое из файла. В последнем случае ядро должно хранить местонахождение файла в файловой системе. Таким образом, наряду с картами отображения. необходимыми для трансляции адреса, ядро хранит ряд структур данных для поиска и загрузки отсутствующих в памяти страниц.

Различные версии UNIX используют разные подходы. Например, в SCO UNIX для описания страниц используются структуры pfdat и связанные с ними дескрипторы дисковых блоков. В UNIX 4.3BSD для этого используются поля записи таблицы страниц.

Страничное замещение имеет ряд важных преимуществ по сравнению со свопингом:

? Размер программы ограничивается лишь размером виртуальной памяти, который для компьютеров с 32-разрядной архитектурой составляет 4 Гбайт.

? Запуск программы происходит очень быстро, т.к. не требуется загружать в память всю программу целиком.

? Значительно большее число программ может быть загружено и выполняться одновременно, т.к. для выполнения каждой из них в каждый момент времени достаточно всего нескольких страниц.

? Перемещение отдельных страниц между оперативной и вторичной памятью требует значительно меньших затрат, чем перемещение процесса целиком.

Оглавление книги