Схема с фиксированными разделами

Самым простым способом управления оперативной памятью является ее предварительное (обычно на этапе генерации или в момент загрузки системы) разбиение на несколько разделов фиксированной величины. По мере прибытия процесс помещается в тот или иной раздел.

Как правило, происходит условное разбиение физического адресного пространства. Связывание логических адресов процесса и физических происходит на этапе его загрузки в конкретный раздел.

Каждый раздел может иметь свою очередь или может существовать глобальная очередь для всех разделов (рис.9.2).

Рисунок 9.2 - Схема с фиксированными разделами: (a) с общей очередью процессов, (b) с отдельными очередями процессов.

Эта схема была реализована в IBM OS/360 (MFT) и в DEC RSX-11.

Подсистема управления памятью сравнивает размер программы, поступившей на выполнение, выбирает подходящий раздел, осуществляет загрузку программы и настройку адресов.

Распространены три стратегии размещения программы в раздел:

1) Стратегия первого подходящего (First fit). Задание помещается в первый подходящий по размеру раздел.

2) Стратегия наиболее подходящего (Best fit). Задание помещается в тот раздел, где ему наиболее тесно.

3) Стратегия наименее подходящего (Worst fit). При помещении в самый большой раздел в нем остается достаточно места для возможного размещения еще одного процесса.

Моделирование показало, что с точки зрения утилизации памяти и уменьшения времени первые два способа лучше. С точки зрения утилизации первые два примерно одинаковы, но первый способ быстрее. Попутно заметим, что перечисленные стратегии широко применяются и другими компонентами ОС, например, для размещения файлов на диске.

Связывание (настройка) адресов для данной схемы возможны как на этапе компиляции, так и на этапе загрузки.

Очевидный недостаток этой схемы число одновременно выполняемых процессов ограничено числом разделов.

Другим существенным недостатком является то, что предлагаемая схема сильно страдает от внешней фрагментации потери памяти, не используемой ни одним процессом. Фрагментация возникает потому, что процесс не полностью занимает выделенный ему раздел или вследствие не использования некоторых разделов, которые малы для выполняемых пользовательских программ.

Далее приведены примеры схем с фиксированными разделами.

Один процесс в памяти

Частный случай схемы с фиксированными разделами работа менеджера памяти однозадачной ОС. В памяти размещается один пользовательский процесс. Остается определить, где располагается пользовательская программа по отношению к ОС - сверху, снизу или посередине. Причем часть ОС может быть в ROM (например, BIOS, драйверы устройств). Главный фактор, влияющий на это решение - расположение вектора прерываний, который обычно локализован в нижней части памяти, поэтому ОС также размещают в нижней. Примером такой организации может служить ОС MS-DOS.

Чтобы пользовательская программа не портила кода ОС, требуется защита ОС, которая может быть организована при помощи одного граничного регистра, содержащего адрес границы ОС.

Оверлейная структура

Так как размер логического адресного пространства процесса может быть больше чем размер выделенного ему раздела (или больше чем размер самого большого раздела), иногда используется техника, называемая оверлей (overlay) или организация структуры с перекрытием. Основная идея - держать в памяти только те инструкции программы, которые нужны в данный момент времени.

Потребность в таком способе загрузки появляется, если логическое адресное пространство системы мало, например 1 мегабайт (MS-DOS) или даже всего 64 килобайта (PDP-11), а программа относительно велика. На современных 32-разрядных системах, где виртуальное адресное пространство измеряется гигабайтами, проблемы с нехваткой памяти решаются другими способами (например, использованием виртуальной памяти).

Коды ветвей оверлейной структуры программы находятся на диске как абсолютные образы памяти и считываются драйвером оверлеев при необходимости. Для конструирования оверлеев необходимы специальные алгоритмы перемещения и связывания. Для описания оверлейной структуры обычно используется специальный несложный язык (overlay description language). Совокупность файлов исполняемой программы дополняется файлом (обычно с расширением .odl), описывающим дерево вызовов внутри программы. Например, для примера, приведенного на рис.9.3 , текст этого файла может выглядеть так:

A-(B,C)

C-(D,E)

Можно поочередно загружать в память ветви A-B, A-C-D и A-C-E программы. Синтаксис подобного файла может распознаваться загрузчиком. Привязка к памяти происходит в момент очередной загрузки одной из ветвей программы.

Оверлеи не требуют специальной поддержки со стороны ОС. Они могут быть полностью реализованы на пользовательском уровне с простой файловой структурой. ОС лишь делает несколько больше операций ввода-вывода. Типовое решение порождение линкером специальных команды, которые включают загрузчик каждый раз: когда требуется обращение к одной из перекрывающихся ветвей программы.

Рисунок 9.3 - Организация структуры с перекрытием

Программист должен тщательно проектировать оверлейную структуру. Это требует полного знания структуры программы, кода, данных, языка описания оверлейной структуры. По этой причине применение оверлеев ограничено компьютерами с лимитами на память и т.д. Проблема оверлейных сегментов, контролируемых программистом, отпадает благодаря появлению систем виртуальной памяти. Здесь впервые сталкиваемся со свойством локальности, которое дает возможность хранить в памяти только ту информацию, которая необходима в каждый конкретный момент вычислений.

Схема со свопингом

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. В системах со свопингом время переключения контекстов лимитируется временем загрузки выгрузки процессов. Для эффективной утилизации процессора необходимо, чтобы величина кванта времени существенно его превышала

Оптимизация свопинга может быть связана с выгрузкой лишь реально используемой памяти или выгрузкой процессов, реально не функционирующих. Кроме того, выгрузка обычно осуществляется в специально отведенное пространство для свопинга, то есть быстрее, чем через стандартную файловую систему (пространство выделяется большими блоками, поиск файлов и методы непосредственного выделения не используются).

Во многих версиях Unix свопинг обычно запрещен, однако он стартует, когда возрастает загрузка системы.