Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

Альтернативой исключающей блокировке является распределенная блокировка (shared lock), или «мягкая», рекомендательная блокировка. Процесс может установить для области блокировку этого типа, а другие процессы при работе могут на нее не обращать внимания, т.е. при установленной блокировке все равно разрешены чтение и запись информации из блокированной области. Для обеспечения корректной работы с файлом необходимо средство определения установки блокировки на той или иной области, для этого опять-таки используется системный вызов fcntl(). Области с рекомендательными блокировками могут пересекаться.

5Управление оперативной памятью

Будем говорить о функциях управления оперативной памятью в контексте решения следующих основных задач. Во-первых, это осуществление контроля использования ресурса, т.е. одной из функций оперативной памяти является учет состояния каждой доступной в системе единицы: знание о том, свободна она или распределена.

Второй задачей является выбор стратегии распределения памяти. Иными словами, решается задача, какому процессу, в течение которого времени и в каком объеме должен быть выделен соответствующий ресурс. Стратегия распределения памяти является достаточно сложной задачей планирования.

Конкретное выделение ресурса тому или иному потребителю является третьей задачей управления ОЗУ. Эта подзадача следует за предыдущей задачей планирования: после решения задачи, какому процессу сколько выделить памяти и на какое время в соответствии с наличием ресурса, следует операция непосредственного выделения. Это означает, что для предоставляемого ресурса идет корректировка системных данных (например, изменение статуса занятости), а затем выдача его потребителю.

И, наконец, четвертой задачей является выбор стратегии освобождения памяти. Освобождение памяти можно рассматривать с двух точек зрения. С одной стороны, это окончательное освобождение памяти, происходящее в случае завершения процесса и высвобождения ресурса. В этом контексте задача достаточно детерминирована и не требует каких-либо алгоритмов планирования и принятия решения. С другой стороны, освобождение памяти может рассматриваться как задача принятия решения в случае, когда встает потребность высвободить физическую память из-под какого-то процесса за счет откачивания во внешнюю память, чтобы на освободившееся пространство поместить данные другого процесса. Такая задача уже не тривиальна: необходимо решить, память какого процесса необходимо откачать, какую именно область памяти у выбранного процесса будет освобождаться. В принципе можно откачать весь процесс, но это зачастую неэффективно.

Ниже будут рассмотрены различные стратегии организации оперативной памяти (одиночное непрерывное распределение, распределение разделами, распределение перемещаемыми разделами, страничное распределение, сегментное распределение и сегменто-страничное распределение), а также методы управления ею. При этом при обсуждении каждой стратегии будем обращать внимание на основные концепции очередной стратегии, на те аппаратные средства, необходимые для поддержания данной модели, на типовые алгоритмы, а также постараемся обсудить основные достоинства и недостатки.

5.1Одиночное непрерывное распределение

Данная модель распределения оперативной памяти (Рис. 121.) является одной из самых простых и основывается на том, что все адресное пространство подразделяется на два компонента. В одной части памяти располагается и функционирует операционная система, а другая часть выделяется для выполнения прикладных процессов.

При таком подходе не возникает особых организационных трудностей. С точки зрения обеспечения корректности функционирования этой модели необходимо аппаратно обеспечить «водораздел» между пространствами, принадлежащими операционной системе и пользовательским процессом. Для этих целей достаточно иметь один регистр границы: если получаемый исполнительный адрес оказывается меньше значения этого регистра, то это адрес в пространстве операционной системы, иначе в пространстве процесса. Такая реализация может сочетаться с аппаратной поддержкой двух режимов функционирования: пользовательского режима и режима ОС. Тогда если процессор в режиме пользователя пытается обратиться в область операционной системы, возникает прерывание. Алгоритмы, используемые при таком распределении, достаточно просты, и мы не будем их здесь обсуждать.

1. Одиночное непрерывное распределение.

К достоинствам данной модели относится концептуальная простота во всех отношениях. В частности, минимальные аппаратные требования или отсутствие таковых, как в ОС Microsoft DOS, в которой даже не было регистра границ, и пользовательский процесс мог обращаться к области ОС.

Среди недостатков можно отметить, во-первых, неэффективное использование физического ресурса: часть памяти, выделяемой под процесс, никогда реально не используется. Во-вторых, процесс занимает всю память полностью на все время выполнения. Но реально оказывается, что зачастую процесс обращается к памяти в достаточно локализованные участки, а более или менее равномерное обращение ко всему адресному пространству процесса случается очень редко. Получается, что данная модель имеет еще и неявную неэффективность за счет того, что под все адресное пространство процесса отводится сразу все необходимое физическое пространство, хотя реально процесс работает лишь с локальными участками. И, наконец, в-третьих, рассматриваемая модель жестко ограничивает размер прикладного процесса.

5.2Распределение неперемещаемыми разделами

Данная модель строится по следующим принципам (Рис. 122.). Опять же, все адресное пространство оперативной памяти делится на две части. Одна часть отводится под операционную систему, все оставшееся пространство отводится под работу прикладных процессов, причем это пространство заблаговременно делится на N частей (назовем их разделами), каждая из которых в общем случае имеет произвольный фиксированный размер. Эта настройка происходит на уровне операционной системы. Соответственно, очередь прикладных процессов разделяется по этим разделам.

Существуют концептуально два варианта организации этой очереди. Первый вариант (вариант Б) предполагает наличие единственной сквозной очереди, которая по каким-то соображениям распределяется между этими разделами. Второй вариант (вариант А) организован так, что с каждым разделом ассоциируется своя очередь, и поступающий процесс сразу попадает в одну из этих очередей.

Существуют несколько способов аппаратной реализации данной модели. С одной стороны, это использование двух регистров границ, один из которых отвечает за начало, а второй — за конец области прикладного процесса. Выход за ту или иную границу ведет к возникновению прерывания по защите памяти.

1. Распределение неперемещаемыми разделами.

Альтернативной аппаратной реализацией может служить механизм ключей защиты (PSW — process[or] status word), которые могут находиться в слове состояния процесса и в слове состояния процессора. Данное решение подразумевает, что каждому разделу ОЗУ ставится в соответствие некоторый ключ защиты. Если аппаратура поддерживает, то в процессоре имеется слово состояния, в котором может находиться ключ защиты доступного в данный момент раздела. Соответственно, у процесса также есть некоторый ключ защиты, который тоже хранится в некотором регистре. Если при обращении к памяти эти ключи защиты совпадают, то доступ считается разрешенным, иначе возникает прерывание по защите памяти.

Рассмотрим теперь алгоритмы, применяемые в данной модели распределения памяти. Сначала рассмотрим алгоритм для модели с N очередями. Сортировка входной очереди процессов по отдельным очередям к разделам сводится к тому, что приходящий процесс размещается в разделе минимального размера, достаточного для размещения данного процесса. Заметим, что в общем случае не гарантируется равномерная загрузка всех очередей, что ведет к неэффективности использования памяти. Возможны ситуации, когда к каким-то разделам имеются большие очереди, а к разделам большего размера очередей вообще нет, т.е. возникает проблема недозагрузки некоторых разделов.

Другая модель с единой очередью процессов является более гибкой. Но она имеет свои проблемы. В частности, возникает проблема выбора процесса из очереди для размещения его в только что освободившийся раздел.

Одно из решений указанной проблемы может состоять в том, что из очереди выбирается первый процесс, помещающийся в освободившемся разделе. Такой алгоритм достаточно простой и не требует просмотра всей очереди процессов. Но в этом случае зачастую возможны ситуации несоответствия размеров процесса и раздела, когда процесс намного меньше этого раздела. Это может привести к тому, что маленькие процессы будут «подавлять» более крупные процессы, которые могли бы поместиться в освободившемся разделе.

Другое решение предлагает, напротив, искать в очереди процесс максимального размера, помещающийся в освободившийся раздел. Очевидно, данный алгоритм требует просмотра всей очереди процессов, но зато он достаточно эффективно обходит проблему фрагментации раздела (возникающей, когда «маленький» процесс загружается в крупный раздел, и оставшаяся часть раздела просто не используется). Как следствие, данный алгоритм подразумевает дискриминацию «маленьких» процессов при выборе очередного процесса для постановки на исполнение.

Чтобы избавиться от последней проблемы, можно воспользоваться некоторой модификацией второго решения, основанного на следующем. Для каждого процесса имеется счетчик дискриминации. Под дискриминацией будем понимать ситуацию, когда в системе освободился раздел, достаточный для загрузки данного раздела, но система планирования ОС его пропустила. Соответственно, при каждой дискриминации из счетчика дискриминации процесса вычитается единица. Тогда при просмотре очереди планировщик первым делом проверяет значение этого счетчика: если его значение — ноль и процесс помещается в освободившемся разделе, то планировщик обязан загрузить данный процесс в этот раздел.

К достоинствам данной модели распределения оперативной памяти можно отнести простоту аппаратных средств организации мультипрограммирования (например, использование двух регистров границ) и простоту используемых алгоритмов. Сделаем небольшое замечание. Если речь идет о модели с N очередями, то никаких дополнительных требований к реализации не возникает. Можно так все организовать, что подготавливаемый процесс в зависимости от его размера будет настраиваться на адресацию соответствующего раздела. Если же речь идет о модели с единой очередью процессов, то появляется требование к перемещаемости кода, это же требование добавляется и к аппаратной части. В данном случае это регистр базы, который может совпадать с одним из регистров границ.

К недостаткам можно отнести внутреннюю фрагментацию в разделах, поскольку зачастую процесс, загруженный в раздел, оказывается меньшего размера, чем сам раздел. Во-вторых, это ограничение предельного размера прикладных процессов размером максимального физического раздела ОЗУ. И, в-третьих, опять-таки весь процесс размещается в памяти, что может привести к неэффективному использованию ресурса (поскольку, как упоминалось выше, зачастую процесс работает с локализованной областью памяти).

5.3Распределение перемещаемыми разделами

Данная модель распределения (Рис. 123.) разрешает загрузку произвольного (нефиксированного) числа процессов в оперативную память, и под каждый процесс отводится раздел необходимого размера. Соответственно, система допускает перемещение раздела, а, следовательно, и процесса. Такой подход позволяет избавиться от фрагментации.

1. Распределение перемещаемыми разделами.

По мере функционирования операционной системы после завершений тех или иных процессов пространство оперативной памяти становится все более и более фрагментированным: в памяти присутствует множество небольших участков свободного пространства, суммарный объем которых позволяет поместить достаточно крупный процесс, но каждый из этих участков меньше этого процесса. Для борьбы с фрагментацией используется специальный процесс компрессии. Данная модель позволяет использовать компрессию за счет того, что исполняемый код процессов может перемещаться по оперативной памяти.

Характеристики

Список файлов лекций