Аппаратно-независимый уровень управления виртуальной памятью

Страничные демоны

Подсистема виртуальной памяти работает производительно при наличии резерва свободных страничных кадров. Алгоритмы, обеспечивающие поддержку системы в состоянии отсутствия трешинга, реализованы в составе фоновых процессов (их часто называют демонами или сервисами), которые периодически "просыпаются" и инспектируют состояние памяти. Если свободных кадров оказывается мало, они могут сменить стратегию замещения. Их задача - поддерживать систему в состоянии наилучшей производительности.

Примером такого рода процесса может быть фоновый процесс - сборщик страниц, реализующий облегченный вариант алгоритма откачки, основанный на использовании рабочего набора и применяемый во многих клонах ОС Unix (см., например,[Bach, 1986]). Данный демон производит откачку страниц, не входящих в рабочие наборы процессов. Он начинает активно работать, когда количество страниц в списке свободных страниц достигает установленного нижнего порога, и пытается выталкивать страницы в соответствии с собственной стратегией.

Но если возникает требование страницы в условиях, когда список свободных страниц пуст, то начинает работать механизм свопинга, поскольку простое отнятие страницы у любого процесса (включая тот, который затребовал бы страницу) потенциально вело бы к ситуации thrashing, и разрушало бы рабочий набор некоторого процесса. Любой процесс, затребовавший страницу не из своего текущего рабочего набора, становится в очередь на выгрузку в расчете на то, что после завершения выгрузки хотя бы одного из процессов свободной памяти уже может быть достаточно.

В ОС Windows 2000 аналогичную роль играет менеджер балансного набора (Working set manager), который вызывается раз в секунду или тогда, когда размер свободной памяти опускается ниже определенного предела, и отвечает за суммарную политику управления памятью и поддержку рабочих множеств.

Программная поддержка сегментной модели памяти процесса

Реализация функций операционной системы, связанных с поддержкой памяти, - ведение таблиц страниц, трансляция адреса, обработка страничных ошибок, управление ассоциативной памятью и др. - тесно связана со структурами данных, обеспечивающими удобное представление адресного пространства процесса. Формат этих структур сильно зависит от аппаратуры и особенностей конкретной ОС.

Чаще всего виртуальная память процесса ОС разбивается на сегменты пяти типов: кода программы, данных, стека, разделяемый и сегмент файлов, отображаемых в память (см. рис. 10.5).

Сегмент программного кода содержит только команды. Сегмент программного кода не модифицируется в ходе выполнения процесса, обычно страницы данного сегмента имеют атрибут read-only. Следствием этого является возможность использования одного экземпляра кода для разных процессов.

Сегмент данных, содержащий переменные программы и сегмент стека, содержащий автоматические переменные, могут динамически менять свой размер (обычно данные в сторону увеличения адресов, а стек - в сторону уменьшения) и содержимое, должны быть доступны по чтению и записи и являются приватными сегментами процесса.

Рис. 10.5. Образ процесса в памяти

С целью обобществления памяти между несколькими процессами создаются разделяемые сегменты, допускающие доступ по чтению и записи. Вариантом разделяемого сегмента может быть сегмент файла, отображаемого в память. Специфика таких сегментов состоит в том, что из них откачка осуществляется не в системную область выгрузки, а непосредственно в отображаемый файл. Реализация разделяемых сегментов основана на том, что логические страницы различных процессов связываются с одними и теми же страничными кадрами.

Сегменты представляют собой непрерывные области (в Linux они так и называются - области) в виртуальном адресном пространстве процесса, выровненные по границам страниц. Каждая область состоит из набора страниц с одним и тем же режимом защиты. Между областями в виртуальном пространстве могут быть свободные участки. Естественно, что подобные объекты описаны соответствующими структурами (см., например, структуры mm_struct и vm_area_struct в Linux).

Часть работы по организации сегментов может происходить с участием программиста. Особенно это заметно при низкоуровневом программировании. В частности, отдельные области памяти могут быть поименованы и использоваться для обмена данными между процессами. Два процесса могут общаться через разделяемую область памяти при условии, что им известно ее имя (пароль). Обычно это делается при помощи специальных вызовов (например, map и unmap), входящих в состав интерфейса виртуальной памяти.

Загрузка исполняемого файла (системный вызов exec) осуществляется обычно через отображение (mapping) его частей (кода, данных) в соответствующие сегменты адресного пространства процесса. Например, сегмент кода является сегментом отображаемого в память файла, содержащего исполняемую программу. При попытке выполнить первую же инструкцию система обнаруживает, что нужной части кода в памяти нет, генерирует page fault и подкачивает эту часть кода с диска. Далее процедура повторяется до тех пор, пока вся программа не окажется в оперативной памяти.

Как уже говорилось, размер сегмента данных динамически меняется. Рассмотрим, как организована поддержка сегментов данных в Unix. Пользователь, запрашивая (библиотечные вызовы malloc, new ) или освобождая ( free, delete ) память для динамических данных, фактически изменяет границу выделенной процессу памяти через системный вызов brk (от слова break), который модифицирует значение переменной brk из структуры данных процесса. В результате происходит выделение физической памяти, граница brk смещается в сторону увеличения виртуальных адресов, а соответствующие строки таблиц страниц получают осмысленные значения. При помощи того же вызова brk пользователь может уменьшить размер сегмента данных. На практике освобожденная пользователем виртуальная память (библиотечные вызовы free, delete ) системе не возвращается. На это есть две причины. Во-первых, для уменьшения размеров сегмента данных необходимо организовать его уплотнение или "сборку мусора". А во-вторых, незанятые внутри сегмента данных области естественным образом будут вытолкнуты из оперативной памяти вследствие того, что к ним не будет обращений. Ведение списков занятых и свободных областей памяти в сегменте данных пользователя осуществляется на уровне системных библиотек.

Более подробно информация об адресных пространствах процессов в Unix изложена в [Кузнецов], [Bach, 1986].

Отдельные аспекты функционирования менеджера памяти

Корректная работа менеджера памяти помимо принципиальных вопросов, связанных с выбором абстрактной модели виртуальной памяти и ее аппаратной поддержкой, обеспечивается также множеством нюансов и мелких деталей. В качестве примера такого рода компонента рассмотрим более подробно локализацию страниц в памяти, которая применяется в тех случаях, когда поддержка страничной системы приводит к необходимости разрешить определенным страницам, хранящим буферы ввода-вывода, другие важные данные и код, быть блокированными в памяти.

Рассмотрим случай, когда система виртуальной памяти может вступить в конфликт с подсистемой ввода-вывода. Например, процесс может запросить ввод в буфер и ожидать его завершения. Управление передастся другому процессу, который может вызвать page fault и, с отличной от нуля вероятностью, спровоцировать выгрузку той страницы, куда должен быть осуществлен ввод первым процессом. Подобные ситуации нуждаются в дополнительном контроле, особенно если ввод-вывод реализован с использованием механизма прямого доступа к памяти (DMA). Одно из решений данной проблемы - вводить данные в не вытесняемый буфер в пространстве ядра, а затем копировать их в пользовательское пространство.

Второе решение - локализовать страницы в памяти, используя специальный бит локализации, входящий в состав атрибутов страницы. Локализованная страница замещению не подлежит. Бит локализации сбрасывается после завершения операции ввода-вывода.

Другое использование бита локализации может иметь место и при нормальном замещении страниц. Рассмотрим следующую цепь событий. Низкоприоритетный процесс после длительного ожидания получил в свое распоряжение процессор и подкачал с диска нужную ему страницу. Если он сразу после этого будет вытеснен высокоприоритетным процессом, последний может легко заместить вновь подкачанную страницу низкоприоритетного, так как на нее не было ссылок. Имеет смысл вновь загруженные страницы помечать битом локализации до первой ссылки, иначе низкоприоритетный процесс так и не начнет работать.

Использование бита локализации может быть опасным, если забыть его отключить. Если такая ситуация имеет место, страница становится неиспользуемой. SunOS разрешает использование данного бита в качестве подсказки, которую можно игнорировать, когда пул свободных кадров становится слишком маленьким.

Другим важным применением локализации является ее использование в системах мягкого реального времени. Рассмотрим процесс или нить реального времени. Вообще говоря, виртуальная память - антитеза вычислений реального времени, так как дает непредсказуемые задержки при подкачке страниц. Поэтому системы реального времени почти не используют виртуальную память. ОС Solaris поддерживает как реальное время, так и разделение времени. Для решения проблемы page faults, Solaris разрешает процессам сообщать системе, какие страницы важны для процесса, и локализовать их в памяти. В результате возможно выполнение процесса, реализующего задачу реального времени, содержащего локализованные страницы, где временные задержки страничной системы будут минимизированы.

Помимо системы локализации страниц, есть и другие интересные проблемы, возникающие в процессе управления памятью. Так, например, бывает непросто осуществить повторное выполнение инструкции, вызвавшей page fault. Представляют интерес и алгоритмы отложенного выделения памяти (копирование при записи и др.). Ограниченный объем данного курса не позволяет рассмотреть их более подробно.

Заключение

Описанная система управления памятью является совокупностью программно-технических средств, обеспечивающих производительное функционирование современных компьютеров. Успех реализации той части ОС, которая относится к управлению виртуальной памятью, определяется близостью архитектуры аппаратных средств, поддерживающих виртуальную память, к абстрактной модели виртуальной памяти ОС. Справедливости ради заметим, что в подавляющем большинстве современных компьютеров аппаратура выполняет функции, существенно превышающие потребности модели ОС, так что создание аппаратно-зависимой части подсистемы управления виртуальной памятью ОС в большинстве случаев не является чрезмерно сложной задачей.