Абстракция памяти: адресные пространства
Абстракция памяти в ОС
Память представляет собой очень важный ресурс, требующий четкого управления.
В наши дни объем памяти среднего домашнего ПК в десятки тысяч раз превышает ресурсы первых IBM начала 60-х годов, несмотря на это программы увеличиваются в размерах, стремясь заполнить всю память, доступную для их размещения.
Историческим путем была разработана концепция иерархии памяти, согласно которой компьютеры обладают:
- несколькими мегабайтами очень быстродействующей, дорогой и энергозависимой кэш-памяти;
- несколькими гигабайтами памяти, средней как по скорости, так и по цене;
- несколькими терабайтами памяти на довольно медленных, сравнительно дешевых дисковых накопителях,
- сменными накопителями, таких как CD, DVD, флеш-устройства USB.
Превратить эту иерархию в абстракцию, то есть в удобную модель, а затем управлять этой абстракцией – и есть одна из задач операционной системы.
Если очень просто, то абстракция памяти – запрет программам прямого доступа к памяти, и предоставление программам вместо подлинных адресов памяти - фиктивных (определенных операционной системой). Выделение под каждую программу собственного адресного пространства, которое, собственно, и является абстракцией памяти.
Часть операционной системы, которая управляет иерархией памяти (или ее частью), называется менеджером, или диспетчером памяти. Он предназначен для действенного управления памятью и должен следить за тем, какие части памяти используются, выделять память процессам, которые е ней нуждаются, и освобождать память, когда процессы завершат свою работу.
|
|
|
Рассмотрим несколько возможных реализованных схем.
Память без использования абстракций
Ранние универсальные машины (до 1960 года), ранние мини компьютеры (до 1970 года) и ранние персональные компьютеры (до 1980 года) не использовали абстракции памяти. Каждая программа просто видела физическую память. Когда программа выполняла следующую команду MOV REGISTER1,1000 компьютер просто перемещал содержимое физической ячейки памяти 1000 в REGISTER1. Таким образом, модель памяти, предоставляемая программисту, была простой физической памятью, набором адресов от 0 до некоторого максимального значения, где каждый адрес соответствовал ячейке, содержащей какое-нибудь количество бит, которое обычно равнялось восьми.
Содержание в памяти сразу двух работающих программ не представлялось возможным.
Если первая программа, к примеру, записывала новое значение в ячейку 2000, то она тем самым стирала то значение, которое сохранялось там второй программой. Работа становилась невозможной, и обе программы практически сразу же давали сбой.
|
|
|
Даже в условиях, когда в качестве модели памяти выступает сама физическая память, возможны несколько вариантов использования памяти.
Три из них показаны на рисунке.
| | ||
| а | б | в |
ОС может (рис. а) размещаться в нижней части адресов, в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), или, по-другому, в памяти с произвольным доступом – RAM (Random Access Memory).
ОС может размещаться также в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), или, иначе, в ROM (ReadOnly Memory), в верхних адресах памяти (рис. б).
Или же драйверы устройств могут быть в верхних адресах памяти, в ПЗУ, а остальная часть системы – в ОЗУ, в самом низу (рис. в).
Первая модель прежде использовалась на универсальных машинах и мини-компьютерах, а на других машинах – довольно редко.
Вторая модель использовалась на некоторых КПК и встроенных системах.
Третья модель использовалась на ранних персональных компьютерах (например, на тех, которые работали под управлением MS-DOS), где часть системы, размещавшаяся в ПЗУ, называлась базовой системой ввода-вывода – BIOS (Basic Input Output System).
Недостаток моделей, изображенных на рис. а и в, заключается в том, что ошибка в программе пользователя может затереть операционную систему, и, возможно, с весьма пагубными последствиями.
|
|
|
Вторая схема предполагала прибавление постоянного значения к каждому адресу физической памяти. При всей исправности работы этого механизма он был не самым универсальным решением, и к тому же замедлял загрузку. Более того, это решение требовало дополнительной информации обо всех исполняемых программах, сообщающей, в каких словах содержатся, а в каких не содержатся перемещаемые адреса.
Абстракция памяти: адресные пространства
Предпосылки
- если пользовательские программы могут обращаться к каждому байту памяти, они легко могут преднамеренно или случайно испортить операционную систему, раздробить ее код и довести до остановки работы
- довольно сложно организовать одновременную (поочередную, если имеется лишь один центральный процессор) работу нескольких программ. На персональных компьютерах вполне естественно наличие нескольких одновременно открытых программ (текстовый процессор, программа электронной почты, веб-браузер), с одной из которых в данный момент взаимодействует пользователь, а работа других возобновляется щелчком мыши. Этого трудно достичь при отсутствии абстракций на основе физической памяти.
|
|
|
Понятие адресного пространства создает своеобразную абстрактную память, в которой существуют программы.
Адресное пространство – это набор адресов, который может быть использован процессом для обращения к памяти.
У каждого процесса имеется свое собственное адресное пространство, независимое от того адресного пространства, которое принадлежит другим процессам (за исключением тех особых обстоятельств, при которых процессам требуется совместное использование их адресных пространств).
Примеры адресных пространств:
Классическое решение заключается в оснащении каждого центрального процессора двумя специальными аппаратными регистрами, которые обычно называются базовым и ограничительным регистрами.
При использовании этих регистров программы загружаются в последовательно расположенные свободные области памяти без модификации адресов в процессе загрузки.
При запуске процесса в базовый регистр загружается физический адрес, с которого начинается размещение программы в памяти, а в ограничительный регистр загружается длина программы.
Недостатком перемещений с использованием базовых и ограничительных регистров является необходимость применения операций сложения и сравнения к каждой ссылке на ячейку памяти. Сравнение может осуществляться довольно быстро, но сложение является слишком медленной операцией из-за затрат времени на вспомогательный сигнал переноса, если, конечно, не используются специальные сумматоры.
На практике суммарный объем оперативной памяти, необходимый для размещения всех процессов, часто значительно превышает имеющийся объем ОЗУ.
Абстракция памяти: свопинг
Для преодоления перегрузки памяти были разработаны два основных подхода.
1. Самый простой из них, называемый свопингом[1], заключается в размещении в памяти всего процесса целиком, в запуске его на некоторое время, а затем в сбросе его на диск. Бездействующие процессы большую часть времени хранятся на диске и в нерабочем состоянии не занимают пространство оперативной памяти.
2. Второй подход называется виртуальной памятью, он позволяет программам запускаться даже в том случае, если они находятся в оперативной памяти лишь частично.
Недостатки
По сути, недостаток только один: очень медленная скорость. Если рабочий процесс помещается в файл подкачки, то его работоспособность резко снижается. Дело в том, что скорость чтения данных с жесткого диска в несколько десятков раз меньше, чем из флеш-памяти физической "оперативки". Потому и скорость работы процесса будет никакой. Возможны различные тормоза и глюки. Но это случается редко, так как в файл подкачки обычно помещаются процессы, которые не работают в данный конкретный момент времени.
Также весьма распространена проблема с твердотельными накопителями. Если разместить файл подкачки на SSD, то свопинг быстро убьет его. Ресурс такого диска все еще ограничен. Потому и рекомендуется размещать файлы подкачки исключительно на механических жестких дисках. У них ресурс возможных операций куда больше, чем у твердотельных накопителей.
Дополнительный материал: как из флешки сделать оперативную память https://lumpics.ru/how-make-ram-from-flash-drive/
Битовая матрица
При использовании битовых матриц память делится на единичные блоки размером от нескольких слов до нескольких килобайт. С каждым единичным блоком соотносится один бит в битовой матрице, который содержит 0, если единичный блок свободен, и 1, если он занят (или наоборот).
Битовая матрица предоставляет довольно простой способ отслеживания слов памяти в фиксированном объеме памяти, поскольку ее размер зависит только от размера памяти и размера единичного блока памяти.
Основная проблема заключается в том, что при решении поместить в память процесс, занимающий k единичных блоков, диспетчер памяти должен искать в битовой матрице непрерывную последовательность нулевых битов. Поиск в битовой матрице последовательности заданной длины – довольно медленная операция (поскольку последовательность может пересекать границы слов в матрице), и это обстоятельство служит аргументом против применения битовых матриц.
Связанный список
Когда процессы и пустые пространства содержатся в списке отсортированными по адресам, то для выделения памяти новому создаваемому процессу (или существующему процессу, загружаемому в результате свопинга с диска) могут быть использованы несколько алгоритмов:
- первое входящее,
- следующее входящее,
- наиболее подходящее,
- наименее подходящее.
Алгоритм «Первое подходящее»
Диспетчер памяти сканирует список сегментов до тех пор, пока не найдет пустое пространство подходящего размера. Затем пустое пространство разбивается на две части: одна для процесса и одна для неиспользуемой памяти, за исключением того статистически маловероятного случая, когда процесс в точности помещается в пустое пространство.
«Первое подходящее» – это быстрый алгоритм, поскольку поиск ведется с наименьшими затратами времени.
Алгоритм «Следующее подходящее»
Работает так же, как и «Первое подходящее», за исключением того, что отслеживает свое местоположение, как только находит подходящее пустое пространство. При следующем вызове для поиска пустого пространства он начинает поиск в списке с того места, на котором остановился в прошлый раз, а не приступает к поиску с самого начала, как при работе алгоритма «Первое подходящее».
Его производительность несколько хуже, чем алгоритма «Первое подходящее».
Алгоритм «Наиболее подходящее»
При нем поиск ведется по всему списку от начала до конца и выбирается наименьшее соответствующее пустое пространство. Вместо того чтобы разбивать большое пустое пространство, которое может пригодиться чуть позже, алгоритм «Наиболее подходящее» пытается подыскать пустое пространство, близкое по размеру к необходимому, чтобы наилучшим образом соответствовать запросу и имеющимся пустым пространствам.
Алгоритм «Наиболее подходящее» работает медленнее, чем «Первое подходящее», поскольку он должен при каждом вызове вести поиск по всему списку. Как ни странно, но его применение приводит к более расточительному использованию памяти, чем при использовании алгоритмов «Первое подходящее» и «Следующее подходящее», поскольку он стремится заполнить память, оставляя небольшие бесполезные пустые пространства.
Алгоритм «Наименее подходящее»
Попытка обойти проблему разбиения практически точно подходящих пространств памяти на память, отводимую под процесс, и на небольшие пустые пространства, то есть к неизменному выбору самого большого подходящего пустого пространства, чтобы вновь образующееся пустое пространство было достаточно большим для дальнейшего использования.
Моделирование показало, что применение алгоритма «Наименее подходящее» также далеко не самая лучшая идея.
[1] Свопинг в мире акций. Таким термином брокеры на биржах обозначали быстрый обмен акциями. На «Форексе» тоже есть такое понятие, но там оно обозначает быструю продажу всех акций.
Свопинг в компьютерном мире. В мире ПК и ноутбуков этим термином обзывают процесс освобождения части оперативной памяти и перенесение данных в заранее созданный файл подкачки на жестком диске.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 618; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!