Технологии управление памятью в ОС. Алгоритмы распределения памяти. Кэш-память.

Оперативная память, или ОЗУ играет особую роль. Это обусловленотем,что программа может выполнятся только в том случае, если онанаходится в памяти. Память распределяется между пользовательскими исистемными программами ОС.

Функции ОС по управлению памятью. К основным функциям ОС поуправлению памятью относятся:

• учет свободной и занятой памяти;

• выделение памяти процессам и ee освобождение;

• вытеснение кодов и данных процессов на диск, когда памяти нехватает и возврат на место;

• настройка адресов на конкретную область физической памяти;

• дефрагментация;

• защита памяти.

Типы адресов. Для идентификации команд программы и данныхиспользуются след.виды адресов:

• символьные имена (присваивает программист, например метки);

• виртуальные адреса (формирует транслятор, начальный адрес равен0);

• физические адреса – номера ячеек памяти, где в действительностибудут расположены команды и данные.

Совокупность виртуальных адресов составляет виртуальное адресноепространство (ВАП). Виртуальное адресное пространство определяетсяразрядностью компьютера. Для 32-разрядного IntelPentium – это максимум FFFFFFFF, что составляет 4 Гб.

Существует 2 основных типа представления виртуальных адресов:

• линейное – адрес начала ВАП всегда равен нулю;

• деление на сегменты, при котором адрес – это пара чисел (n, m), где n– номер сегмента, m – смещение;

Назначенное ВАП – действительно необходимое процессу для работы.Его также называют образом процесса. Назначенное ВАП может превышатьфизический объем памяти. На этом основан механизм виртуальной памяти.ВАП и виртуальная память – это разные механизмы для ОС. ОС можетподдерживать ВАП, но механизм виртуальной памяти может при этомотсутствовать, например, в случае превышения физической памяти над ВАПлюбого процесса.

Алгоритмы распределения памяти без использования внешнейпамяти

При распределении памяти фиксированными разделами памятьизначально разделена на сегменты фиксированной величины.

При распределении памяти динамическими разделами память вначальный момент времени считается свободной (за исключением памятиотведенной под ОС). Каждому процессу отводится вся необходимая память.Достоинство данного вида распределения памяти −большая гибкость, по сравнению с методом распределения фиксированными

разделами. Недостаток – высокий уровень фрагментации.

В методе распределения памяти перемещаемыми разделами разработчики попытались учесть достоинства и недостатки предыдущего.Недостаток этого метода

– низкая производительность.

Алгоритмы распределения памяти с использованием внешнейпамяти. Для полной загрузки процессора могут понадобиться иногда сотниинтерактивных задач. Все они д.б. размещены в памяти, большаячасть кот.находится в состоянии ожидания. Логично было бы на времяожидания, в случае нехватки физической памяти, вытеснять их на диск, акогда необходимо, возвращать в память. Такая подмена (виртуализация)оперативной памяти дисковой памятью существенно повышает уровеньмультипрограммирования. Важно, что все действия по перемещению происходят автоматически, без участия программиста.

Страничное распределение. При страничном распределениивиртуальная память делится на части одинакового и фиксированного дляданной системы размера, называемыми виртуальными страницами. Всяоперативная память также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами. При страничном распределении виртуальное адресное пространстводелится на равные части механически, без учета смыслового значенияданных. В одной странице могут одновременно оказаться код программы иисходные данные. Такой подход не позволяет обеспечить раздельную

обработку, например защиту, совместный доступ и т.д.

Сегментное распределение. Разбиение адресного пространства на"осмысленные" части устраняет недостатки страничного распределения иназывается сегментным распределением. Примеры сегментов: кодпрограммы, массив исходных данных и пр.

К недостаткам сегментного распределения можно отнести следующие:

1. Использование операции сложения при формировании физическогоадреса приводит к понижению производительности.

2. Избыточность. Поскольку сегмент в общем случае может бытьбольше страницы, то следовательно единица обмена между ОЗУ и дискомболее крупная, что приводит к замедлению работы.

Сегментно-страничное распределение. Данный метод представляетсобой комбинацию страничного и сегментного механизмов управленияпамятью и направлен на реализацию достоинств обоих подходов.Виртуальная память делится на сегменты, а каждый сегмент – на страницы.Все современные ОС используют именно такой способ организации.

Кэш-память – это способ совместного функционирования двухтипов запоминающих устройств, кот.позволяет ускорить доступ за счетдинамического копирования часто используемой инфо из“медленного” в “быстрое” запоминающее устройство (ЗУ).

Функционирование кэш происходит незаметно для программ ипользователей.

Содержание кэш-памяти представляет собой совокупность записей о всех данных из основной памяти (ОП), загруженных в нее.

Время доступа пропорционально вероятности попадания в кэш,которая составляет не менее 90%. Такая высокая степень попадания в кэшобъясняется некоторыми объективными свойствами компьютерных данных:

Временная локальность. Если произошло обращение по некоторомуадресу, то следующее обращение с большой вероятностью произойдет вближайшее время. Временная локальность позволяет надеяться, что имеетсмысл копировать данные в кэш, т.к. вскоре вероятно все равно к ним будетобращение.

Пространственная локальность. Если произошло обращение понекоторому адресу, то с высокой степенью вероятности в ближайшее времяпроизойдет обращение к соседним адресам. Свойство пространственнойлокальности делает целесообразнымкопировать в кэш не одну единицуданных, а целый блок данных.

Проблема согласования данных. 2 копии данных: в памяти и КЭШе порождает проблему согласования, т.е. версии данных в памяти и кэше вконечном итоге должны совпадать.

Применяется два подхода при записи в память:

• сквозная запись – если данные находятся в кэше, то записьпроизводится и в кэш, и в память.

• обратная запись – если данные находятся в кэше, то записьпроизводится только в кэш, и устанавливается признак модификации.

Существует 2 основных способа отображения основной памяти накэш: случайное и детерминированное.

• Случайное. Элемент памяти находится в произвольном месте кэша.Элемент хранится вместе с адресом. Поиск ведется по адресу. Этосравнительно дорогой способ.

• Детерминированный. Элемент памяти отображается всегда в одно итоже место кэша. Строки кэша и элементы памяти соотносятся как“один ко многим”. Преобразование адреса элемента в номер строкикэша выполняется некоторой функцией. Этот способ более дешевый.