Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

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.

Планирование выполнения процессов

Как и оперативная память, процессор является разделяемым ресурсом, который должен быть справедливо распределен между конкурирующими процессами. Планировщик процессов как раз и является той подсистемой ядра, которая обеспечивает предоставление процессорных ресурсов процессам, выполняющимся в операционной системе. UNIX является системой разделения времени, это означает, что каждому процессу вычислительные ресурсы выделяются на ограниченный промежуток времени, после чего они предоставляются другому процессу и т.д. Максимальный временной интервал, на который процесс может захватить процессор, называется временным квантом (time quantum или time slice). Таким образом создается иллюзия, что процессы выполняются одновременно, хотя в действительности в каждый момент времени выполняется только один (на однопроцессорной системе) процесс.

UNIX является многозадачной системой, а это значит, что одновременно выполняются несколько приложений. Очевидно, что приложения предъявляют различные требования к системе с точки зрения их планирования и общей производительности. Можно выделить три основных класса приложений:

□ Интерактивные приложения. К этому классу относятся командные интерпретаторы, текстовые редакторы и другие программы, непосредственно взаимодействующие с пользователем. Такие приложения большую часть времени обычно проводят в ожидании пользовательского ввода, например, нажатия клавиш клавиатуры или действия мышью. Однако они должны достаточно быстро обрабатывать такие действия, обеспечивая комфортное для пользователя время реакции. Допустимая задержка для таких приложений составляет от 100 до 200 миллисекунд.

□ Фоновые приложения. К этому классу можно отнести приложения, не требующие вмешательства пользователя. Примерами таких задач могут служить компиляция программного обеспечения и сложные вычислительные программы. Для этих приложений важно минимизировать суммарное время выполнения в системе, загруженной другими процессами, порожденными, в частности, интерактивными задачами. Более того, предпочтительной является ситуация, когда интерактивные приложения не оказывают существенного влияния на среднюю производительность задач данного класса.

□ Приложения реального времени. Хотя система UNIX изначально разрабатывалась как операционная система разделения времени, ряд приложений требуют дополнительных системных возможностей, в частности, гарантированного времени совершения той или иной операции, времени отклика и т.п. Примером могут служить измерительные комплексы или системы управления. Видеоприложения также могут обладать определенными ограничениями на время обработки кадра изображения.