Текст лекции. Лекция № 8. Управление оперативной памятью

Ключевые вопросы

Лекция № 8. Управление оперативной памятью. Часть 2

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

· Алгоритмы распределения.

· Распределение памяти динамическими разделами

· Перемещаемые разделы

17.2.1 Алгоритмы распределения — до 15 мин.

Следует ли назначать каждому процессу одну непрерывную область физической памяти или можно выделять память «кусками»? Должны ли сегменты програм­мы, загруженные в намять, находиться на одном месте d течение всего периода выполнения процесса или можно ее время от времени сдвигать? Что делать, если сегменты программы не помещаются в имеющуюся память? Разные ОС по-разному отвечают на эти и другие базовые вопросы управления памятью. Далее будут рассмотрены наиболее общие подходы к распределению памяти, которые были характерны для разных периодов развития операционных систем. Некото­рые из них сохранили актуальность и широко используются в современных ОС, другие же представляют в основном только познавательный интерес, хотя их и сегодня можно встретить в специализированных системах.

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.

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, либо в очередь к некоторому разделу. 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 переме­
щающего 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.

17.2.2 Распределение памяти динамическими разделами — до 30 мин.

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. Состояние памяти в раз­личные моменты времени при использовании динамического распределения. Так, в момент Г_о в памяти находится только ОС, а к моменту t_x 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.

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами дан­ный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток — 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.

17.2.3 Перемещаемые разделы — до 30 мин.

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовала единую свободную область. В дополнение к функциям, кото­рые выполняет ОС при распределении памяти динамическими разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одно­го места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом за­вершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вы­числительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором — реже выполняется процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполне­ния, то в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью пе­ремещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое пре­образование адресов. Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памя­ти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает пре­имущества данного метода. Концепция сжатия применяется и при использовании других методов распреде­ления памяти, когда отдельному процессу выделяется не одна сплошная область памяти, а несколько несмежных участков памяти произвольного размера (сег­ментов). Такой подход был использован в ранних версиях OS/2, в которых па­мять распределялась сегментами, а возникавшая при этом фрагментация устра­нялась путем периодического перемещения сегментов.