Билет № 32

Алгоритмы распределения памяти. Распределение памяти фиксированными и динамическими разделами. Достоинства и недостатки алгоритмов. Фрагментация памяти.

Дефрагментация дисков. Квоты (на примере Windows 2000).

Вопрос 1

Алгоритмы распределения памяти

На рис. 5.7 все алгоритмы распределения памяти разделены на два класса: алгоритмы, в которых используется перемещение сегментов процессов между оперативной памятью и диском, и алгоритмы, в которых внешняя память не привлекается.

Рис. 5.7. Классификация методов распределения памяти

Распределение памяти фиксированными разделами

Простейший способ управления оперативной памятью состоит в том, что память разбивается на несколько областей фиксированной величины, называемых разделами. Такое разбиение может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее установки. После этого границы разделов не изменяются.

Очередной новый процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь (рис. 5.8, а), либо в очередь к некоторому разделу (рис. 5.8, 6).

Рис. 5.8. Распределение памяти фиксированными разделами: с общей очередью (а), с отдельными очередями (б)

Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

Сравнивает объем памяти, требуемый для вновь поступившего процесса, с размерами свободных разделов и выбирает подходящий раздел;

Осуществляет загрузку программы в один из разделов и настройку адресов. Уже на этапе трансляции разработчик программы может задать раздел, в котором ее следует выполнять. Это позволяет сразу, без использования перемещающего загрузчика, получить машинный код, настроенный на конкретную область памяти.

При очевидном преимуществе — простоте реализации, данный метод имеет существенный недостаток — жесткость. Так как в каждом разделе может выполняться только один процесс, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов. Независимо от размера программы она будет занимать весь раздел. Так, например, в системе с тремя разделами невозможно выполнять одновременно более трех процессов, даже если им требуется совсем мало памяти. С другой стороны, разбиение памяти на разделы не позволяет выполнять процессы, программы которых не помещаются ни в один из разделов, но для которых было бы достаточно памяти нескольких разделов.

Такой способ управления памятью применялся в ранних мультипрограммных ОС. Однако и сейчас метод распределения памяти фиксированными разделами находит применение в системах реального времени, в основном благодаря небольшим затратам на реализацию. Детерминированность вычислительного процесса систем реального времени (заранее известен набор выполняемых задач, их требования к памяти, а иногда и моменты запуска) компенсирует недостаточную гибкость данного способа управления памятью.

1. Разделы одинакового размера. Недостатки:

необходимость разработки оверлеев* при больших размерах программ;

* Оверлеи представляют собой части программы, которые совмест-

но используют общую область памяти. В один и тот же момент време-

ни резидентно размещаться в памяти может та или иная часть прог-

раммы, необходимая для выполнения заданной функции. В процессе

выполнения эти части программы могут замещать друг друга.

Оверлеи могут значительно сократить объем памяти, необходи

мый для выполнения программы. Фактически, так как в любой момент времени в памяти резидентно размещаются только части программы, с помощью оверлеев вы можете выполнять программы, значительно пре-восходящие по объему доступную память.

неэффективное использование памяти (внутренняя фрагментация)

2. Разделы разного размера. Очередь к каждому разделу.

Достоинство: возможность распределения процессов между разделами с минимизацией внутренней фрагментации.

Недостаток: возможно неэффективное использование памяти за счет «простоя» больших разделов при наличии только небольших процессов.

3. Разделы разного размера. Общая очередь к разделам.

Достоинство: улучшается использование памяти.

Общие достоинства: простота, минимальные требования к операционной системе. Недостатки: 1) количество разделов, определенных во время генерации ОС (режим MFT OS/360), ограничивает число активных процессов; 2) неэффективное использование памяти.

Распределение памяти динамическими разделами

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память, отводимая для приложений, свободна. Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается). После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. На рис. 5.9 показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения. Так, в момент t₀ в памяти находится только ОС, а к моменту t₁ память разделена между 5 процессами, причем процесс П4, завершаясь, покидает память. На освободившееся от процесса П4 место загружается процесс П6, поступивший в момент t₃.

Функции операционной системы, предназначенные для реализации данного метода управления памятью, перечислены ниже.

Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.

При создании нового процесса — анализ требований к памяти, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».

Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.

После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

Рис. 5.9. Распределение памяти динамическими разделами

Достоинство: По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток — внешняя фрагментация памяти. Фрагментация — это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Распределение памяти динамическими разделами лежит в основе подсистем управления памятью многих мультипрограммных операционных системах 60-70-х годов, в частности такой популярной операционной системы, как OS/360.

Вопрос 2.

Дефрагментация дисков.

В процессе дефрагментации кластеры диска организуются таким образом, чтобы файлы, папки и свободное пространство по возможности располагались непрервывно. В результате значительно повышается производительность файловой системы, поскольку сокращается количество операций ввода/вывода, необходимое для чтения определенного объема информации. Следует также отметить, что при дефрагментации свободное пространство не объединяется в одну непрерывную область, а располагается в нескольких областях. Это значительно скоращает время выполнения дефрагментации.

Квоты (на примере Windows 2000). Администрирование больших сетей, сопряжено с рядом сложностей. Одна из них - учет дискового пространства, занятого файлами пользователей. Пользователи хранящие свои файлы на сервере не заботятся об удалении ненужных или устаревших данных, а также об их систематизации. В результате даже на больших дисках сервера может не оказаться необходимого для работы свободного пространства. Подобная проблема решается с помощью введения квот на дисковое пространство, доступное для работы пользователю. В предыдущих версиях операционной системы Windows NT не было возможности ввести квоту на доступное дисковое пространство, и любой пользователь имел в своем распоряжении все пространство дисков сервера. В Windows 2000 системный администратор может квотировать дисковое пространство по каждому тому и для каждого пользователя. Windows 2000 ведет учет пространства, занимаемого файлами, владельцем которых является контролируемый пользователь. Поскольку квотирование выполняется по каждому тому, не имеет значения, находятся ли тома на одном жестком диске или на различных устройствах. После установки квот дискового пространства пользователь сможет хранить на томе ограниченный объем данных, в то время как на этом томе может оставаться свободное пространство. Если пользователь превысит выделенную ему квоту, в журнал событий будет внесена соответствующая запись. Затем, в зависимости от конфигурации системы, пользователь либо сможет записать информацию на том(мягкий режим), либо ему будет отказано в записи. Квотирование диска возможно при 2 условиях: присутствие раздела в формате NTFS 5.0, и наличие необходимых полномочий у пользователя устанавливающего квоты.

Задача