Управление памятью в операционной системе

Термин «память» можно определить как набор данных в определенном формате. Он используется для хранения инструкций и обработанных данных. Память состоит из большого массива или группы слов или байтов, каждое из которых имеет собственное местоположение. Основным мотивом компьютерной системы является выполнение программ. Эти программы вместе с информацией, к которой они обращаются, должны находиться в основной памяти во время выполнения. ЦП извлекает инструкции из памяти в соответствии со значением счетчика программ.

Для достижения определенной степени мультипрограммирования и правильного использования памяти важно управление памятью. Существует множество методов управления памятью, отражающих различные подходы, и эффективность каждого алгоритма зависит от ситуации.

Что такое основная память

Основная память играет центральную роль в работе современного компьютера. Основная память — это большой массив слов или байтов размером от сотен тысяч до миллиардов. Основная память — это хранилище быстро доступной информации, совместно используемой ЦП и устройствами ввода-вывода. Основная память — это место, где хранятся программы и информация, когда процессор эффективно их использует. Также основная память связана с процессором, поэтому перемещение инструкций и информации в процессор и из процессора происходит очень быстро. Основная память также известна как RAM (оперативная память). Эта память является энергозависимой. ОЗУ теряет свои данные при отключении питания.

Рисунок 1: Иерархия памяти

Что такое управление памятью

В многопрограммном компьютере операционная система находится в части памяти, а остальная часть используется несколькими процессами. Задача разделения памяти между различными процессами называется управлением памятью. Управление памятью — это метод операционной системы для управления операциями между основной памятью и диском во время выполнения процесса. Основная цель управления памятью — эффективное использование памяти.

Почему требуется управление памятью

• Выделять и освобождать память до и после выполнения процесса.
• Для отслеживания используемого пространства памяти процессами.
• Чтобы свести к минимуму проблемы фрагментации.
• Для правильного использования основной памяти.
• Сохранять целостность данных при выполнении процесса.

Теперь мы обсуждаем концепцию логического адресного пространства и физического адресного пространства:

Логическое и физическое адресное пространство

Логическое адресное пространство: адрес, генерируемый ЦП, известен как «логический адрес». Он также известен как виртуальный адрес. Логическое адресное пространство можно определить как размер процесса. Логический адрес можно изменить.

Физическое адресное пространство: адрес, видимый блоком памяти (т. Е. Тот, который загружен в регистр адреса памяти), обычно известен как «Физический адрес». Физический адрес также известен как реальный адрес. Набор всех физических адресов, соответствующих этим логическим адресам, известен как физическое адресное пространство. Физический адрес вычисляется MMU. Отображение виртуальных адресов в физические во время выполнения выполняется с помощью модуля управления памятью (MMU) аппаратного устройства. Физический адрес всегда остается постоянным.

Статическая и динамическая нагрузка

Загрузка процесса в основную память выполняется загрузчиком. Есть два разных типа загрузки:

• Статическая загрузка: — При статической загрузке загружает всю программу по фиксированному адресу. Это требует больше места в памяти.
• Динамическая загрузка: — Для выполнения процесса вся программа и все данные процесса должны находиться в физической памяти. Итак, размер процесса ограничен размером физической памяти. Для правильного использования памяти используется динамическая загрузка. При динамической загрузке подпрограмма не загружается, пока не будет вызвана. Все процедуры хранятся на диске в перемещаемом формате загрузки. Одним из преимуществ динамической загрузки является то, что неиспользуемая процедура никогда не загружается. Эта загрузка полезна, когда для ее эффективной обработки требуется большой объем кода.

Статические и динамические ссылки

Для выполнения задачи связывания используется компоновщик. Компоновщик — это программа, которая берет один или несколько объектных файлов, созданных компилятором, и объединяет их в один исполняемый файл.

• Статическая компоновка: пристатической компоновке компоновщик объединяет все необходимые программные модули в единую исполняемую программу. Таким образом, нет никакой зависимости от времени выполнения. Некоторые операционные системы поддерживают только статическое связывание, в котором библиотеки системного языка обрабатываются как любой другой объектный модуль.
• Динамическое связывание: основная концепция динамического связывания аналогична динамической загрузке. При динамической компоновке «заглушка» включается для каждой соответствующей ссылки на библиотечную подпрограмму. Заглушка — это небольшой фрагмент кода. Когда заглушка выполняется, она проверяет, находится ли нужная процедура уже в памяти или нет. Если он недоступен, программа загружает подпрограмму в память.

Обмен

Когда процесс выполняется, он должен находиться в памяти. Перекачка представляет собой процесс обмена процесс временно во вторичную память из в основной памяти, которая является быстрым, по сравнению с вторичной памятью. Подкачка позволяет запускать больше процессов и может быть помещена в память одновременно. Основная часть подкачки — это время передачи, а общее время прямо пропорционально объему подкачки памяти. Обмен также известен как развертывание, развертывание, потому что, если приходит процесс с более высоким приоритетом и ему требуется обслуживание, диспетчер памяти может заменить процесс с более низким приоритетом, а затем загрузить и выполнить процесс с более высоким приоритетом. После завершения высокоприоритетной работы,процесс с более низким приоритетом поменялись обратно в памяти и продолжал в процессе исполнения.

Непрерывное распределение памяти

Основная память должна задействовать как операционную систему, так и различные клиентские процессы. Таким образом, выделение памяти становится важной задачей операционной системы. Память обычно делится на два раздела: один для резидентной операционной системы и один для пользовательских процессов. Обычно нам нужно, чтобы несколько пользовательских процессов находились в памяти одновременно. Следовательно, нам нужно подумать о том, как выделить доступную память для процессов, которые находятся во входной очереди, ожидая ввода в память. При выделении смежной памяти каждый процесс содержится в одном непрерывном сегменте памяти.

Выделение памяти

Чтобы добиться правильного использования памяти, необходимо эффективно распределять память. Один из простейших методов распределения памяти — разделить память на несколько разделов фиксированного размера, и каждый раздел содержит ровно один процесс. Таким образом, степень мультипрограммирования определяется количеством разделов.

Распределение нескольких разделов : в этом методе процесс выбирается из входной очереди и загружается в свободный раздел. Когда процесс завершается, раздел становится доступным для других процессов.

Фиксированное распределение разделов: в этом методе операционная система поддерживает таблицу, в которой указывается, какие части памяти доступны, а какие заняты процессами. Изначально вся память доступна для пользовательских процессов и считается одним большим блоком доступной памяти. Эта доступная память известна как «отверстие». Когда процесс прибывает и ему требуется память, мы ищем достаточно большую дыру, чтобы сохранить этот процесс. Если требование выполняется, мы выделяем память для процесса, в противном случае оставляя остальную доступной для удовлетворения будущих запросов. При распределении памяти иногда возникают проблемы с динамическим распределением памяти, которые касаются того, как удовлетворить запрос размера n из списка свободных отверстий. Есть несколько решений этой проблемы:

First fit:- 

При первой подгонке первое доступное свободное отверстие удовлетворяет требованиям назначенного процесса.

Здесь, на этой диаграмме, блок памяти размером 40 КБ является первым доступным свободным местом, в котором может храниться процесс A (размер 25 КБ), поскольку первые два блока не имели достаточного пространства памяти.

Best fit:-

В наиболее подходящем случае выделите наименьшее отверстие, которое достаточно велико для обработки требований. Для этого мы ищем весь список, если список не упорядочен по размеру.

Здесь, в этом примере, сначала мы просматриваем полный список и обнаруживаем, что последнее отверстие 25 КБ является наиболее подходящим отверстием для процесса A (размер 25 КБ).

В этом методе использование памяти максимально по сравнению с другими методами распределения памяти.

Worst fit:- В худшем случае выделите для обработки наибольшее доступное отверстие. Этот метод дает самое большое оставшееся отверстие.

Здесь, в этом примере, процесс A (размер 25 КБ) выделяется самому большому доступному блоку памяти, который составляет 60 КБ. Неэффективное использование памяти является серьезной проблемой в худшем случае.

Фрагментация

Фрагментация определяется как когда процесс загружается и удаляется после выполнения из памяти, он создает небольшую свободную дыру. Эти дыры не могут быть назначены новым процессам, потому что дыры не объединяются или не удовлетворяют требованиям процесса к памяти. Чтобы достичь определенной степени мультипрограммирования, мы должны уменьшить потери памяти или проблему фрагментации. В операционной системе два типа фрагментации:

Внутренняя фрагментация

Внутренняя фрагментация происходит, когда блоки памяти выделяются процессу больше, чем их запрошенный размер. Из-за этого остается некоторое неиспользуемое пространство, что создает проблему внутренней фрагментации.

Пример: предположим, что для распределения памяти используется фиксированное разделение, а размер блока в памяти различается: 3 МБ, 6 МБ и 7 МБ. Теперь приходит новый процесс p4 размером 2 МБ и требует блока памяти. Он получает блок памяти размером 3 МБ, но 1 МБ блочной памяти является пустой тратой и не может быть выделен другим процессам. Это называется внутренней фрагментацией.

Внешняя фрагментация

При внешней фрагментации у нас есть свободный блок памяти, но мы не можем назначить его процессу, потому что блоки не являются смежными.

Пример: Предположим (рассмотрим пример выше) три процесса p1, p2, p3 имеют размер 2 МБ, 4 МБ и 7 МБ соответственно. Теперь им выделяются блоки памяти размером 3 МБ, 6 МБ и 7 МБ соответственно. После выделения для процесса p1 и p2 осталось 1 МБ и 2 МБ. Предположим, что приходит новый процесс p4 и требует 3-мегабайтный блок памяти, который доступен, но мы не можем его назначить, потому что свободное пространство памяти не является непрерывным. Это называется внешней фрагментацией.

И первая, и самая подходящая системы для распределения памяти, подверженной внешней фрагментации. Для преодоления проблемы внешней фрагментации используется уплотнение. В технике уплотнения все свободное пространство памяти объединяется и образует один большой блок. Таким образом, это пространство может быть эффективно использовано другими процессами.

Другое возможное решение внешней фрагментации — позволить логическому адресному пространству процессов быть несмежным, что позволяет процессу выделять физическую память там, где последняя доступна.

 Paging:

Paging — это схема управления памятью, которая устраняет необходимость непрерывного выделения физической памяти. Эта схема позволяет физическому адресному пространству процесса быть несмежным.

• Логический адрес или виртуальный адрес (представлен в битах): адрес, генерируемый ЦП.
• Логическое адресное пространство или виртуальное адресное пространство (представленное словами или байтами): набор всех логических адресов, сгенерированных программой.
• Физический адрес (представлен в битах): адрес, фактически доступный в блоке памяти.
• Физическое адресное пространство (выраженное словами или байтами): набор всех физических адресов, соответствующих логическим адресам.

Пример:

• Если логический адрес = 31 бит, то логическое адресное пространство = 2 31слово = 2 G слов (1 G = 2 30 )
• Если логическое адресное пространство = 128 M слов = 2 7* 2 20 слов, то логический адрес = log 2 2 27 = 27 бит
• Если физический адрес = 22 бита, то физическое адресное пространство = 2 22слова = 4 M слов (1 M = 2 20 )
• Если физическое адресное пространство = 16 M слов = 2 4* 2 20 слов, то физический адрес = log 2 2 24 = 24 бита.

Преобразование виртуального адреса в физический выполняется блоком управления памятью (MMU), который является аппаратным устройством, и это преобразование известно как метод подкачки.

• Физическое адресное пространство концептуально разделено на несколько блоков фиксированного размера, называемых кадрами.
• Логическое адресное пространство также разделено на блоки фиксированного размера, называемые страницами.
• Размер страницы = Размер кадра

Рассмотрим пример:

• Физический адрес = 12 бит, тогда физическое адресное пространство = 4 К слов
• Логический адрес = 13 бит, затем логическое адресное пространство = 8 К слов
• Размер страницы = размер кадра = 1 тыс. Слов (предположение)

Адрес, генерируемый ЦП, делится на

• Номер страницы (p):количество битов, необходимых для представления страниц в логическом адресном пространстве или номер страницы.
• Смещение страницы (d):количество битов, необходимых для представления определенного слова на странице или размер страницы логического адресного пространства, или номер слова страницы или смещение страницы.

Физический адрес делится на

• Номер кадра (f):количество битов, необходимых для представления кадра физического адресного пространства или кадра номера кадра.
• Смещение кадра (d):количество битов, необходимых для представления конкретного слова в кадре, или размер кадра в физическом адресном пространстве, или номер слова кадра, или смещение кадра.

Аппаратная реализация таблицы страниц может быть выполнена с использованием выделенных регистров. Но использование регистра для таблицы страниц является удовлетворительным только в том случае, если таблица страниц мала. Если таблица страниц содержит большое количество записей, мы можем использовать TLB (буфер просмотра трансляции), специальный небольшой аппаратный кеш для быстрого просмотра.

• TLB — это ассоциативная высокоскоростная память.
• Каждая запись в TLB состоит из двух частей: тега и значения.
• Когда эта память используется, то элемент сравнивается со всеми тегами одновременно. Если элемент найден, то соответствующее значение возвращается.

Время доступа к основной памяти = м

Если таблица страниц хранится в основной памяти,

Эффективное время доступа = m (для таблицы страниц) + m (для конкретной страницы в таблице страниц)