Объем оперативной памяти, который имеется в компьютере, существенно сказывается на протекании вычислительного процесса. Он ограничивает число одновременно выполняющихся программ и размеры их виртуальных адресных пространств.

Если все задачи мультипрограммной смеси являются вычислительными (мало операций ввода-вывода), для хорошей загрузки процессора может оказаться достаточным всего 3-5 задач.

Если вычислительная система загружена выполнением интерактивных задач, дляэффективного использования процессора может потребоваться уже несколько десятков, а то и сотен задач.

Большое количество задач требует больших объемов оперативной памяти.

В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся памяти оказывается недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно выгружаются на диск.

В мультипрограммном режиме помимо активного процесса, имеются также приостановленные процессы, ожидающие завершения ввода-вывода или освобождения ресурсов, а также процессы в состоянии готовности, стоя­щие в очереди к процессору.

Образы таких неактивных процессов могут быть временно, до следующего цикла активности, выгружены на диск. Несмотря на это, ОС «знает» о существовании процессов и учитывает это при распределении процессорного времени и других ресурсов. К моменту, когда подходит очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память. Если при этом оказывается, что свободного места в оперативной памяти не хватает, то на диск выгружается другой процесс.

Такая подмена (виртуализация ) оперативной памяти дисковой позволяет повысить уровень мультипрограммирования.

Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которыми он, в действительности, не обладает.

Ясно, что работа виртуальной оперативной памяти происходит медленнее, чем реальной.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью программных модулей ОС и аппаратных схем процессора и включает решение следующих задач:

· размещение данных в запоминающих устройствах различного типа;

· выбор образов процессов или их частей для перемещения из оперативной па­мяти на диск и обратно;

· перемещение по мере необходимости данных между памятью и диском;

· преобразование виртуальных адресов в физические.

Заметим, что с проблемой размещения в оперативной памяти программ, которые превышают ее размеры, программисты столкнулись достаточно давно. Одним из решений было разбиение программы на части, которые назывались оверлеями . Когда один оверлей заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами ОС на основании директив программиста, содержащихся в программе.

Несмотря на внешнее сходство, имеет принципиальное отличие от виртуальной памяти. Оно состоит в том, что при оверлее разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память выполняются программистом заранее во время написания программы.

Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных подходов:

· свопинг - образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

· виртуальнаяпамять - между оперативной памятью и диском перемещаются части (сегменты, страницы) образов процессов.

Свопинг – частный случай виртуализации. Это наиболее простой способ совместного использования оперативной памяти и диска.

Недостаток – избыточность. Когда ОС решает активизировать процесс, для его выполнения, часто не требуется загружать в оперативную память все его сегменты полностью. Аналогично при освобождении памяти для загрузки нового процесса очень часто не требуется выгружать другой процесс на диск целиком. Достаточно выгрузить только часть его образа. Перемещение избыточной информации замедляет работу системы и неэффективно используется оперативная память.

Еще один недостаток . Системы, поддерживающие свопинг не способны загрузить для выполнения процесс, виртуальное адресное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

В современных ОС свопинг применения не находит.

Ключевой проблемой виртуальной памяти , возникающей в результате многократного изменения местоположения в оперативной памяти образов процессов или их частей, является преобразование виртуальных адресов в физические .

В настоящее время все множество реализаций виртуальной памяти может быть представлено тремя классами:

· Страничная виртуальная память . Перемещение данных осуществляется страницами - частями виртуального адресного пространства, фиксированного и сравнительно небольшого размера.

· Сегментная виртуальная память – перемещение осуществляется сегментами - частями виртуального адресного пространства произвольного размера.

· Сегментно-страничная виртуальная память . Здесь используется двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения здесь является страница.

Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится либо специальная область, либо специальный файл, который носит название страничный файл.

Текущий размер страничного файла является важным параметром ОС, чем он больше, тем больше приложений может одновременно выполнять ОС. Однако, с увеличением страничного файла увеличивается время на перекачку информации и общая полезная производительность системы уменьшается.

Размер страничного файла в современных ОС является настраиваемым параметром.

Сегментно-страничная память

При сегментно-страничной организации виртуальной памяти происходит двухуровневая трансляция виртуального адреса в физический. В этом случае виртуальный адрес состоит из трех полей: номера сегмента виртуальной памяти, номера страницы внутри сегмента и смещения внутри страницы. Соответственно, используются две таблицы отображения - таблица сегментов, связывающая номер сегмента с таблицей страниц, и отдельная таблица страниц для каждого сегмента.

Разновидностью виртуальной памяти является свопинг. На рисунке 8.7 показан график зависимости коэффициента загрузки процессора в зависимости от числа одновременно выполняемых процессов и доли времени, проводимого этими процессами в состоянии ожидания ввода-вывода.

Из рисунка видно, что для загрузки процессора на 90% достаточно всего трех счетных задач. Однако для того, чтобы обеспечить такую же загрузку интерактивными задачами, выполняющими интенсивный ввод-вывод, потребуются десятки таких задач. Необходимым условием для выполнения задачи является загрузка ее в оперативную память, объем которой ограничен. В этих условиях был предложен метод организации вычислительного процесса, называемый свопингом. В соответствии с этим методом некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс. При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу.

Выводы

Логическаяорганизация памяти необходима для устранения несоответствия между адресным пространством памяти и ее реальным, физическим объемом.

Для того чтобы адресоваться к операндам и командам, не напрягая при этом адресное пространство памяти, существует много способов. Одна из идей в этой области заключается в том, что адрес ячейки памяти помещают в регистр процессора, а в команде содержится ссылка на этот регистр.

Стековая организация памяти применяется при вызове подпрограмм, временном хранении данных.

Основные разновидности логической организации памяти стековая, сегментная, косвенная, свопинг решают задачу создания виртуальной памяти.

2. Какие методы адресации вы знаете?

3. Что такое виртуальная память?

4. Что такое свопинг?

Свопинг — мошеннический метод черного SEO, это подмена контента проиндексированной страницы сайта на другой, несоответствующий запросам пользователей.

В чем смысл?

Свопингом занимаются, когда хотят заработать на продаже ссылок. Допустим, оптимизатор вывел сайт на 2 место по запросу «аренда комнат», сайт он продвинул в ТОП по довольно популярному запросу. После этого контент интернет-ресурса заменяется текстовым материалом с огромным количеством ссылок, который не имеет ничего общего с арендой комнат. Для пользователя эти ссылки бесполезны, но вебмастеру они приносят прибыль.

Наследил

По сути дела, свопинг захламляет Интернет, превращая сайт в линкопомойку. Индексация такого сайта забирает ресурсы у поисковиков, а что делать, если свопинг заполонит весь Интернет?

Репутация Сети также оказывается подмоченной. Пользователям нужна именно та информация, которую они ввели в виде запроса, поэтому вряд ли кто-то обрадуется, если искал сведения об одном, а нашел другое, совершенно ненужное.

Как победить свопинг?

Урон свопинг может принести колоссальный, поэтому поисковые системы, вооружившись алгоритмами, нещадно борются с этой напастью, вычеркивая их из индекса раз и навсегда.

Свопинг не означает, что менять тематику ресурса категорически запрещено. ТИЦ будет немного колебаться, но ничего страшного не произойдет. Надо лишь придерживаться одного правила - писать и размещать тексты, понятные пользователям.

Свопинг же предполагает намеренный обман поисковой системы путем подмены контента.

Необходимым условием для того, чтобы программа могла выполняться, является ее нахождение в оперативной памяти. Только в этом случае процессор может извлекать команды из памяти и интерпретировать их, выполняя заданные действия. Объем оперативной памяти, который имеется в компьютере, существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса. Он ограничивает число одновременно выполняющихся программ и размеры их виртуальных адресных пространств. В некоторых случаях, когда все задачи мультипрограммной смеси являются вычислительными (то есть выполняют относительно мало операций ввода-вывода, разгружающих центральный процессор), для хорошей загрузки процессора может оказаться достаточным всего 3-5 задач. Однако если вычислительная система загружена выполнением интерактивных задач, то для эффективного использования процессора может потребоваться уже несколько десятков, а то и сотен задач. Эти рассуждения хорошо иллюстрирует рисунок 25, на котором показан график зависимости коэффициента загрузки процессора от числа одновременно выполняемых процессов и доли времени, проводимого этими процессами в состоянии ожидания ввода-вывода.

Рис. 25. Зависимость загрузки процессора от числа задач и интенсивности ввода-вывода

Большое количество задач, необходимое для высокой загрузки процессора, требует большого объема оперативной памяти. В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся оперативной памяти недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно выгружаются на диск.

В мультипрограммном режиме помимо активного процесса, то есть процесса, коды которого в настоящий момент интерпретируются процессором, имеются приостановленные процессы, находящиеся в ожидании завершения ввода-вывода или освобождения ресурсов, а также процессы в состоянии готовности, стоящие в очереди к процессору. Образы таких неактивных процессов могут быть временно, до следующего цикла активности, выгружены на диск. Несмотря на то что коды и данные процесса отсутствуют в оперативной памяти, ОС «знает» о его существовании и в полной мере учитывает это при распределении процессорного времени и других системных ресурсов. К моменту, когда подходит очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память. Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает, то на диск выгружается другой процесс.

Такая подмена (виртуализация) оперативной памяти дисковой памятью позволяет повысить уровень мультипрограммирования - объем оперативной памяти компьютера теперь не столь жестко ограничивает количество одновременно выполняемых процессов, поскольку суммарный объем памяти, занимаемой образами этих процессов, может существенно превосходить имеющийся объем оперативной памяти. Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. В данном случае в распоряжение прикладного программиста предоставляется виртуальная оперативная память, размер которой намного превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программу, а транслятор, используя виртуальные адреса, переводит ее в машинные коды так, как будто в распоряжении программы имеется однородная оперативная память большого объема. В действительности же все коды и данные, используемые программой, хранятся на дисках и только при необходимости загружаются в реальную оперативную память. Понятно, однако, что работа такой «оперативной памяти» происходит значительно медленнее.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью программных модулей ОС и аппаратных схем процессора и включает решение следующих задач:

Размещение данных в запоминающих устройствах разного типа, например часть кодов программы - в оперативной памяти, а часть - на диске;

Выбор образов процессов или их частей для перемещения из оперативной памяти на диск и обратно;

Перемещение по мере необходимости данных между памятью и диском; Q преобразование виртуальных адресов в физические.

Очень важно то, что все действия по организации совместного использования диска и оперативной памяти (выделение места для перемещаемых фрагментов, настройка адресов, выбор кандидатов на загрузку и выгрузку) осуществляются операционной системой и аппаратурой процессора автоматически, без участия программиста, и никак не сказываются на логике работы приложений.

Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных подходов:

Свопинг (swapping) - образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

Виртуальная память (virtual memory) - между оперативной памятью и диском перемещаются части (сегменты, страницы и т. п.) образов процессов.

Свопинг представляет собой частный случай виртуальной памяти и, следовательно, более простой в реализации способ совместного использования оперативной памяти и диска. Однако подкачке свойственна избыточность: когда ОС решает активизировать процесс, для его выполнения, как правило, не требуется загружать в оперативную память все его сегменты полностью - достаточно загрузить небольшую часть кодового сегмента с подлежащей выполнению инструкцией и частью сегментов Данных, с которыми работает эта инструкция, а также отвести место под сегмент стека. Аналогично при освобождении памяти для загрузки нового процесса очень часто вовсе не требуется выгружать другой процесс на диск целиком, достаточно вытеснить на диск только часть его образа. Перемещение избыточной информации замедляет работу системы, а также приводит к неэффективному использованию памяти. Кроме того, системы, поддерживающие свопинг, имеют еще один очень существенный недостаток: они не способны загрузить для выполнения процесс, виртуальное адресное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Именно из-за указанных недостатков свопинг как основной механизм управления памятью почти не используется в современных ОС. На смену ему пришел более совершенный механизм виртуальной памяти , который, как уже было сказано, заключается в том, что при нехватке места в оперативной памяти на диск выгружаются только части образов процессов.

Ключевой проблемой виртуальной памяти, возникающей в результате многократного изменения местоположения в оперативной памяти образов процессов или их частей, является преобразование виртуальных адресов в физические. Решение этой проблемы, в свою очередь, зависит от того, какой способ структуризации виртуального адресного пространства принят в данной системе управления памятью. В настоящее время все множество реализаций виртуальной памяти может быть представлено тремя классами.

Сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сегментами - частями виртуального адресного пространства произвольного размера, полученными с учетом смыслового значения данных,

Страничная виртуальная память организует перемещение данных между памятью и диском страницами - частями виртуального адресного пространства, фиксированного и сравнительно небольшого размера.

Сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения данных здесь является страница. Этот способ управления памятью объединяет в себе элементы обоих предыдущих подходов.

Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится либо специальная область, либо специальный файл, которые во многих ОС по традиции продолжают называть областью, или файлом свопинга, хотя перемещение информации между оперативной памятью и диском осуществляется уже не в форме полного замещения одного процесса другим, а частями. Другое популярное название этой области - страничный файл (page file, или paging file). Текущий размер страничного файла является важным параметром, оказывающим влияние на возможности операционной системы: чем больше страничный файл, тем больше приложений может одновременно выполнять ОС (при фиксированном размере оперативной памяти). Однако необходимо понимать, что увеличение числа одновременно работающих приложений за счет увеличения размера страничного файла замедляет их работу, так как значительная часть времени при этом тратится на перекачку кодов и данных из оперативной памяти на диск и обратно. Размер страничного файла в современных ОС является настраиваемым параметром, который выбирается администратором системы для достижения компромисса между уровнем мультипрограммирования и быстродействием системы.

Свопинг процессов

Свопинг процессов -- вытеснение готового к исполнению процесса из оперативной памяти во внешнюю. При этом оперативная память, заполненная процессом, полностью освобождается.

Свопинг процессов может использоваться как средство реализации абсолютных приоритетов при отсутствии виртуальной памяти, либо инициироваться операцией на внешнем устройстве, требующей значительных временных затрат.

В любой момент времени данные структур рrос для всех процессов должны присутствовать в памяти, хотя остальные структуры данных, включая образ процесса, могут быть перемещены во вторичную память, -- область свопинга.

Это позволяет ядру иметь под рукой минимальную информацию, необходимую для определения местонахождения остальных данных, относящихся к процессу, даже если они отсутствуют в памяти.

Структура ргос является записью системной таблицы процессов, которая, как мы только что заметили, всегда находится в оперативной памяти. Запись этой таблицы для выполняющегося в настоящий момент времени процесса адресуется системной переменной curproc.

Каждый раз при переключении контекста, когда ресурсы процессора передаются другому процессу, соответственно изменяется значение переменной curproc, которая теперь указывает на структуру ргос активного процесса.

Имея дело с пакетными системами, можно обходиться фиксированными разделами и не использовать ничего более сложного. В системах с разделением времени возможна ситуация, когда память не в состоянии содержать все пользовательские процессы. Приходится прибегать к свопингу (swapping) - перемещению процессов из главной памяти на диск и обратно целиком.

Выгруженный процесс может быть возвращен в то же самое адресное пространство или в другое. Это ограничение диктуется методом связывания. Для схемы связывания на этапе выполнения можно загрузить процесс в другое место памяти.

Свопинг не имеет непосредственного отношения к управлению памятью, скорее он связан с подсистемой планирования процессов. Очевидно, что свопинг увеличивает время переключения контекста. Время выгрузки может быть сокращено за счет организации специально отведенного пространства на диске (раздел для свопинга). Обмен с диском при этом осуществляется блоками большего размера, то есть быстрее, чем через стандартную файловую систему.

Схема с переменными разделами

Организация памяти в виде фиксированных разделов проста и эффективна для работы с пакетными системами. Каждое задание после того, как доходит до начала очереди, загружается в раздел памяти и остается там до своего завершения. До тех пор пока в памяти может храниться достаточное количество задач для обеспечения постоянной занятости центрального процессора, нет причин что-либо усложнять.

Но совершенно другая ситуация сложилась с системами разделения времени или персональными компьютерами, ориентированными на работу с графикой. Оперативной памяти иногда оказывается недостаточно для того, чтобы вместить все текущие активные процессы, и тогда избыток процессов приходится хранить на диске, а для обработки динамически переносить их в память.

Существуют два основных подхода к управлению памятью, зависящие (отчасти) от доступного аппаратного обеспечения. Самая простая стратегия, называемая свопингом (swapping) или обычной подкачкой, заключается в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск.

В принципе, система свопинга может базироваться на фиксированных разделах. Более эффективной, однако, представляется схема динамического распределения или схема с переменными разделами, которая может использоваться и в тех случаях, когда все процессы целиком помещаются в памяти, то есть в отсутствие свопинга. В этом случае вначале вся память свободна и не разделена заранее на разделы. Вновь поступающей задаче выделяется строго необходимое количество памяти, не более. После выгрузки процесса память временно освобождается. По истечении некоторого времени память представляет собой переменное число разделов разного размера (рисунок 2.4). Смежные свободные участки могут быть объединены.

Рисунок 2.4 - Динамическое распределение. Свопинг

Основная разница между фиксированными разделами и непостоянными разделами заключается в том, что во втором случае количество, размещение и размер разделов изменяются динамически по мере поступления и завершения процессов, тогда как в первом варианте они фиксированы. Гибкость схемы, в которой нет ограничений, связанных с определенным количеством разделов, и каждый из разделов может быть очень большим или совсем маленьким, улучшает использование памяти, но, кроме того, усложняет операции размещения процессов и освобождения памяти, а также отслеживание происходящих изменений.

Когда в результате подкачки процессов с диска в памяти появляется множество неиспользованных фрагментов, их можно объединить в один большой участок, передвинув все процессы в сторону младших адресов настолько, насколько это возможно. Такая операция называется уплотнением или сжатием памяти. Обычно ее не выполняют, потому что на нее уходит много времени работы процессора. Например, на машине с 256 Мбайт оперативной памяти, которая может копировать 4 байта за 40 нс, уплотнение всей памяти займет около 2,7 с.

Еще один момент, на который стоит обратить внимание: сколько памяти должно быть предоставлено процессу, когда он создается или скачивается с диска? Если процесс имеет фиксированный никогда не изменяющийся размер, размещение происходит просто: операционная система предоставляет точно необходимое количество памяти, ни больше, ни меньше, чем нужно.

Однако если область данных процесса может расти, например, в результате динамического распределения памяти из кучи, как происходит во многих языках программирования, проблема предоставления памяти возникает каждый раз, когда процесс пытается увеличиться. Когда участок неиспользованной памяти расположен рядом с процессом, его можно отдать в пользу процесса, таким образом, позволив процессу вырасти на размер этого участка. Если же процесс соседствует с другим процессом, для его увеличения нужно или переместить достаточно большой свободный участок памяти, или перекачать на диск один или больше процессов, чтобы создать незанятый фрагмент достаточного размера. Если процесс не может расти в памяти, а область на диске, предоставленная для подкачки, переполнена, процесс будет вынужден ждать освобождения памяти или же будет уничтожен.

Если предположить, что большинство процессов будут увеличиваться во время работы, вероятно, сразу стоит предоставлять им немного больше памяти, чем требуется, а всякий раз, когда процесс скачивается на диск или перемещается в памяти, обрабатывать служебные данные, связанные с перемещением или подкачкой процессов, больше не умещающихся в предоставленной им памяти. Но когда процесс выгружается на диск, должна скачиваться только действительно используемая часть памяти, так как очень расточительно также перемещать и дополнительную память. На рисунке 2.5 а можно увидеть конфигурацию памяти с предоставлением пространства для роста двух процессов.

Если процесс может иметь два увеличивающихся сегмента, например сегмент данных, используемый как куча для динамически назначаемых и освобождаемых переменных, и сегмент стека для обычных локальных переменных и возвращаемых адресов, предлагается альтернативная схема распределения памяти (рисунок 2.5 б). Здесь мы видим, что у каждого процесса вверху предоставленной ему области памяти находится стек, который расширяется вниз, и сегмент данных, расположенный отдельно от текста программы, который увеличивается вверх. Область памяти между ними разрешено использовать для любого сегмента. Если ее становится недостаточно, то процесс нужно или перенести на другое, большее свободное место, или выгрузить на диск до появления свободного пространства необходимого размера, или уничтожить.

Рисунок 2.5 - Предоставление пространства для роста области данных (а); предоставление пространства для роста стека и области данных (б)

Одним из способов выделения места для swap-файла (раздела) является кратное выделение памяти, когда объём этого файла равен объёму оперативной памяти, умноженному на константу от 0,5 до 2 или 3.

Если на компьютере имеется более одного жёсткого диска, то для более быстрого обращения к файлу подкачки его желательно разместить на наименее нагруженном запросами чтения/записи физическом диске. Хорошим выбором будет физический файл подкачки на диске, который имеет наибольшую скорость чтения/записи.