Управление памятью в операционных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Управление памятью

1.1 Основные задачи управления памятью

2. Классификация методов распределения памяти

3. Управление реальной памятью

3.1 Распределение памяти фиксированными разделами

3.2 Распределение памяти динамическими разделами

3.3 Перемещаемые разделы

4. Управление виртуальной памятью

4.1 Страничный способ распределения виртуальной памяти

4.2 Сегментный способ распределения виртуальной памяти

4.3 Сегментно-страничный способ распределения виртуальной памят

5. Подсистема управления памятью в ОС MS-DOS

Заключение

Список литературы

Введение

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (магнитной ленты, магнитного диска) в память. С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами.

Все методы управления памятью могут быть разделены на два класса: методы, которые используют перемещение процессов между оперативной памятью и диском, и методы, которые не делают этого.

1. Управление памятью

управление память операционный система

1.1 Основные задачи управления памятью

Основная память (она же ОЗУ) является важнейшим ресурсом, эффективное использование которого решающим образом влияет на общую производительность системы.

Для однозадачных ОС управление памятью не является серьезной проблемой, поскольку вся память, не занятая системой под собственные нужды, может быть отдана в распоряжение единственного пользовательского процесса. Процедуры управления памятью решают следующие задачи:

выделение памяти для процесса пользователя при его запуске и освобождение этой памяти при завершении процесса;

обеспечение настройки запускаемой программы на выделенные адреса памяти;

управление выделенными областями памяти по запросам программы пользователя (например, освобождение части памяти перед запуском порожденного процесса).

Совершенно иначе обстоят дела в многозадачных ОС. Суммарные требования к объему памяти всех одновременно работающих в системе программ, как правило, превышают имеющийся в наличии объем основной памяти. В этих условиях ОС не имеет другого выхода, кроме поочередного вытеснения процессов или их частей на диск, чтобы использовать освободившуюся память на нужды других процессов. Неудачная реализация такого вытеснения может почти полностью застопорить работу ОС, которая большую часть времени будет заниматься записью и чтением с диска.

К основным задачам, которые должна решать подсистема управления памятью многозадачной ОС, добавляются следующие:

предоставление процессам возможностей получения и освобождения дополнительных областей памяти в ходе работы;

эффективное использование ограниченного объема основной памяти для удовлетворения нужд всех работающих процессов, в том числе с использованием дисков как расширения памяти;

изоляция памяти процессов, исключающая случайное или намеренное несанкционированное обращение одного процесса к областям памяти, занимаемым другим процессом;

предоставление процессам возможности обмена данными через общие области памяти.

2. Классификация методов распределения памяти

Рис. 1 Классификация методов распределения памяти

3. Управление реальной памятью

3.1 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. 1.1, а), либо в очередь к некоторому разделу (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. 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.

3.2 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. 2.1 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.

Рис. 2.1. Распределение памяти динамическими разделами

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.

3.3 Перемещаемые разделы

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 (рис. 3.1). 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.

Рис. 3.1. Распределение памяти перемещаемыми разделами

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.

4. Управление виртуальной памятью

В многозадачном режиме кроме активного процесса имеются приостановленные, такие процессы могут быть выгружены на диск. В данном случае в распоряжение программ предоставляется виртуальная оперативная память. Использование виртуальной памяти осуществляется за счет модулей ос и аппаратных схем процессора. В настоящее время существует 3 схемы распределения виртуальной памяти.

4.1 Страничный способ распределения виртуальной памяти

При таком способе все фрагменты программы, на которые она разбивается получаются одинаковыми и называются страницами. Оперативная память разбивается на физические страницы, а программа на виртуальные. Часть виртуальных страниц программы размещается в оперативной памяти, а часть на внешней, на диске. При обращении к виртуальной странице, не оказавшейся в данный момент в оперативной памяти, возникает прерывание и управление передается диспетчеру оперативной памяти. Если физической страницы нет (свободной), то диспетчер памяти выбирает для замещения ту страницу на которой не было ссылки на протяжении длительного времени.

Преимущества: устранение фрагментации памяти, т.е. страницы одинакового размера.

Недостатки: программа разбивается на страницы случайно, без учета логической связи, это приводит к потерям времени на межстраничные переходы.

В ОС Windows память может быть увеличена до 4 Гб, а размер страниц до 4 Кб.

4.2 Сегментный способ распределения виртуальной памяти

Виртуально - адресное пространство делится на сегменты с учетом смыслового значения. Отдельный сегмент может представлять собой подпрограмму, массив данных. При загрузке процесса в оперативную память, помещается только часть сегментов, причем подыскивает ос непрерывный участок определенного размера. Если в оперативной памяти недостаточно места для загрузки сегмента, то часть сегмента из оперативной памяти выгружается на диск в файл подкачки. ОС (в частности диспетчер памяти) подбирает для выгрузки сегмент, который не использовался наиболее длительное время. В оперативной памяти для каждого сегмента хранятся информационные структуры, на основе которых ос выбирает сегменты для выгрузки.

- о месте расположения сегмента (в оперативной памяти или на жестком диске);

- права доступа;

- отметка об обращении к сегменту (т.е. давно или недавно использовался сегмент).

Преимуществом является то, что это был первый способ распределения с использованием файла подкачки, так же можно было устанавливать права доступа к сегментам.

Недостатки: потеря процессорного времени на загрузку сегментов и на обработку информационных структур, информационные структуры требовали для себя памяти, дефрагментация памяти.

4.3 Сегментно-страничный способ распределения виртуальной памяти

В данном способе программа разбивается на логически-законченные части, а сегменты на страницы и адрес страницы состоит из номера сегмента, при этом сегмент при загрузке в оперативную память размещается целиком, но страницы одного сегмента могут занимать несмежные страницы.

Преимущества: сокращается время для загрузки страниц, но требуются вычислительные ресурсы для хранения информационных структур - способ используется в дорогих ос.

5. Подсистема управления памятью в ОС MS-DOS

MS-DOS - это ОС, работающая в реальном режиме процессора i86, что предполагает использование адресного пространства размером всего лишь 1 Мб. На самом деле, в компьютерах IBM гарантируется наличие лишь 640 Кб основной памяти, старшие же адреса памяти заняты под BIOS и видеопамять, хотя среди них попадаются разрозненные куски оперативной памяти, называемые UMB (верхний блок памяти).

Адрес в реальном режиме записывается в формате [сегмент : смещение], однако здесь сегмент - это не селектор, адресующий строку таблицы сегментов, а просто номер параграфа памяти (1 параграф = 16 байт). Поэтому можно считать, что в MS-DOS используются только физические адреса.

В принципе, программы, работающие в MS-DOS, могут получить доступ к памяти за пределами 1 Мб, но для этого требуется специальный драйвер расширенной памяти.

Поскольку делить имеющуюся память между несколькими процессами не приходится, распределение получается бесхитростное.

Рис. 4 Основные области памяти ОС MS-DOS

Нижнюю часть памяти занимают модули ОС: обработчики прерываний, резидентная часть интерпретатора команд, драйверы устройств. Некоторые системные программы могут быть ради экономии загружены в верхний блок памяти (выше 640 Кб). Все, что остается в середине, может быть предоставлено процессу пользователя.

Для пущей экономии памяти некоторые нерезидентные модули DOS могут занимать верхнюю часть области пользователя, но только до тех пор, пока не будут затерты пользовательской программой, которой потребуется вся имеющаяся память.

Часть системной памяти и вся область пользователя разбита на прилегающие друг к другу блоки, размер которых кратен параграфу. Перед началом каждого блока памяти размещается блок управления памятью (MCB, Memory Control Block), который занимает один параграф и содержит следующие данные:

· признак, определяющий, последний ли это блок памяти или за ним будут еще блоки (соответственно буква `Z' или `M');

· адрес PSP программы, владеющей этим блоком (0 означает свободный блок);

· размер блока в параграфах;

· имя программы-владельца (до 8 символов); это поле избыточно (зная PSP программы, можно найти имя ее файла), оно было добавлено, вероятно, чтобы хоть как-то занять пустующие байты параграфа MCB.

Когда система должна выделить блок памяти для собственных нужд или по запросу программы пользователя, она просматривает список блоков от начала, перемещаясь от одного MCB к следующему. Найдя свободный блок достаточного размера, система отмечает его как занятый соответствующим владельцем. Если выделяется не весь свободный блок, то после выделенного блока система записывает еще один MCB, описывающий свободный остаток блока.

При освобождении блока система записывает 0 в поле владельца MCB. Если с одной или с двух сторон от освобождаемого блока лежат свободные блоки, то два или три свободных блока сливаются в один.

При запуске программы система выделяет ей два блока памяти: сначала небольшой блок для переменных среды, затем самый большой среди оставшихся свободных блоков для самой программы (блок PSP). Обычно этот блок занимает всю свободную память. Такое решение приемлемо, поскольку других претендентов на память нет.

Почему блок среды выделяется раньше, чем блок PSP?

При завершении программы система просматривает все блоки памяти и освобождает те из них, владельцем которых указана завершаемая программа. Исключением является случай завершения с установкой резидента, при этом блок PSP не освобождается, но уменьшается до указанного размера. В дальнейшем этот блок остается занятым до перезагрузки системы.

MS-DOS предоставляет в распоряжение пользователя функции, позволяющие выполнять основные действия с блоками памяти.

· Выделение блока указанного размера. Если свободного блока достаточной величины не имеется, то система возвращает максимальный размер, который может быть выделен.

· Освобождение ранее выделенного блока.

· Изменение размера блока. Уменьшение блока возможно всегда, увеличение - только в том случае, если после данного блока расположен свободный блок достаточного размера.

Одним из немногих случаев, когда эти функции оказываются полезны, является запуск порожденного процесса. Система должна иметь достаточно свободного места, чтобы разместить блок среды и блок PSP загружаемой программы. Однако, как было сказано выше, вся свободная память обычно отдается под блок PSP текущей программы. Поэтому прежде чем запускать порожденный процесс, программа должна уменьшить свой собственный блок PSP, оставив себе необходимый минимум.

Заключение

Проанализировав общие принципы управления памятью, видно, что в простейших системах нет свопинга или страничной организации памяти. Программа, загруженная в память, остается там до своего завершения. Некоторые ОС не позволяют находиться в памяти более чем одному процессу, в то время как другие поддерживают многозадачность.

Список литературы

1. Олифер В. Г. Сетевые операционные системы: учебник для вузов/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2009. - 539 с.: ил

2. Попов И.И. Операционные системы, среды и оболочки/ И.И. Попов. - М.: Издательство "ФОРУМ: ИНФА-М", 2010. - 400 с. - (Серия "Профессиональное образование")

Размещено на Allbest.ru