Управление аппаратными ресурсами

Понятно, что при использовании локальных алгоритмов ситуация thrashing, затрагивающая несколько процессов, невозможна. Однако в принципе возможна аналогичная ситуация внутри одной виртуальной памяти: ОС может каждый раз замещать ту страницу, к которой процесс обратится в следующий момент времени.

Единственным алгоритмом, теоретически гарантирующим отсутствие thrashing, является так называемый "оптимальный алгоритм Биледи" (по имени придумавшего его венгерского математика). Алгоритм заключается в том, что для замещения следует выбирать страницу, к которой в будущем наиболее долго не будет обращений. Понятно, что в динамической среде операционной системы точное знание будущего невозможно, и в этом контексте алгоритм Биледи представляет только теоретический интерес (хотя он с успехом применяется практически, например, в компиляторах для планирования использования регистров).

В 1968 году американский исследователь Питер Деннинг сформулировал принцип локальности ссылок (называемый принципом Деннинга) и выдвинул идею алгоритма подкачки, основанного на понятии рабочего набора. В некотором смысле предложенный им подход является практически реализуемой аппроксимацией оптимального алгоритма Биледи. Принцип локальности ссылок (недоказуемый, но подтверждаемый на практике) состоит в том, что если в период времени (T-t, T) программа обращалась к страницам (С1, С2, ..., Сn), то при надлежащем выборе t с большой вероятностью эта программа будет обращаться к тем же страницам в период времени (T, T+t). Другими словами, принцип локальности утверждает, что если не слишком далеко заглядывать в будущее, то можно хорошо его прогнозировать исходя из прошлого. Набор страниц (С1, С2, ..., Сn) называется рабочим набором программы (или, правильнее, соответствующего процесса) в момент времени T. Понятно, что с течением времени рабочий набор процесса может изменяться (как по составу страниц, так и по их числу). Идея алгоритма подкачки Деннинга (иногда называемого алгоритмом рабочих наборов) состоит в том, что операционная система в каждый момент времени должна обеспечивать наличие в основной памяти текущих рабочих наборов всех процессов, которым разрешена конкуренция за доступ к процессору. Мы не будем вдаваться в технические детали алгоритма, а лишь заметим следующее. Во-первых, полная реализация алгоритма Деннинга практически гарантирует отсутствие thrashing. Во-вторых, алгоритм реализуем (известна, по меньшей мере, одна его полная реализация, которая однако потребовала специальной аппаратной поддержки). В-третьих, полная реализация алгоритма Деннинга вызывает очень большие накладные расходы.

Поэтому на практике применяются облегченные варианты алгоритмов подкачки, основанных на идее рабочего набора. Один из таких вариантов применяется и в ОС UNIX (насколько нам известно, во всех версиях системы, относящихся к ветви System V). Мы кратко опишем этот вариант в п. 3.1.3.

Аппаратно-независимый уровень управления памятью

Материал, приведенный в данном разделе, хотя и не отражает в полном объеме все проблемы и решения, связанные с управлением виртуальной памятью, достаточен для того, чтобы осознать важность и сложность соответствующих компонентов операционной системы. В любой операционной системе управление виртуальной памятью занимает центральное место. Когда-то Игорь Силин (основной разработчик известной операционной системы Дубна для БЭСМ-6) выдвинул тезис, известный в народе как "Тезис Силина": "Расходы, затраченные на управление виртуальной памятью, окупаются". Я думаю, что любой специалист в области операционных систем согласится с истинностью этого тезиса.

Понятно, что и разработчики ОС UNIX уделяли большое внимание поискам простых и эффективных механизмов управления виртуальной памятью (в области операционных систем абсолютно истинным является утверждение, что любое хорошее решение обязано быть простым). Но основной проблемой было то, что UNIX должен был быть мобильной операционной системой, легко переносимой на разные аппаратные платформы. Хотя на концептуальном уровне все аппаратные механизмы поддержки виртуальной памяти практически эквивалентны, реальные реализации часто весьма различаются. Невозможно создать полностью машинно-независимый компонент управления виртуальной памятью. С другой стороны, имеются существенные части программного обеспечения, связанного с управлением виртуальной памятью, для которых детали аппаратной реализации совершенно не важны. Одним из достижений ОС UNIX является грамотное и эффективное разделение средств управления виртуальной памятью на аппаратно-независимую и аппаратно-зависимую части. Коротко рассмотрим, что и каким образом удалось включить в аппаратно-независимую часть подсистемы управления виртуальной памятью ОС UNIX (ниже мы умышленно опускаем технические детали и упрощаем некоторые аспекты).

Основная идея состоит в том, что ОС UNIX опирается на некоторое собственное представление организации виртуальной памяти, которое используется в аппаратно-независимой части подсистемы управления виртуальной памятью и связывается с конкретной аппаратной реализацией с помощью аппаратно-зависимой части. В чем же состоит это абстрактное представление виртуальной памяти?

Во-первых, виртуальная память каждого процесса представляется в виде набора сегментов (рисунок 3.3).

Рис. 3.3. Сегментная структура виртуального адресного пространства

Как видно из рисунка, виртуальная память процесса ОС UNIX разбивается на сегменты пяти разных типов. Три типа сегментов обязательны для каждой виртуальной памяти, и сегменты этих типов присутствуют в виртуальной памяти в одном экземпляре для каждого типа. Сегмент программного кода содержит только команды. Реально в него помещается соответствующий сегмент выполняемого файла, который указывался в качестве параметра системного вызова exec для данного процесса. Сегмент программного кода не может модифицироваться в ходе выполнения процесса и потому возможно использование одного экземпляра кода для разных процессов.

Сегмент данных содержит инициализированные и неинициализированные статические переменные программы, выполняемой в данном процессе (на этом уровне изложения под статическими переменными лучше понимать области виртуальной памяти, адреса которых фиксируются в программе при ее загрузке и действуют на протяжении всего ее выполнения). Понятно, что поскольку речь идет о переменных, содержимое сегмента данных может изменяться в ходе выполнения процесса, следовательно, к сегменту должен обеспечиваться доступ и по чтению, и по записи. С другой стороны, поскольку мы говорим о собственных переменных данной программы, нельзя разрешить нескольким процессам совместно использовать один и тот же сегмент данных (по причине несогласованного изменения одних и тех же переменных разными процессами ни один из них не мог бы успешно завершиться).

Сегмент стека - это область виртуальной памяти, в которой размещаются автоматические переменные программы, явно или неявно в ней присутствующие. Этот сегмент, очевидно, должен быть динамическим (т.е. доступным и по чтению, и по записи), и он, также очевидно, должен быть частным (приватным) сегментом процесса.

Разделяемый сегмент виртуальной памяти образуется при подключении к ней сегмента разделяемой памяти (см. п. 3.4.1). По определению, такие сегменты предназначены для координированного совместного использования несколькими процессами. Поэтому разделяемый сегмент должен допускать доступ по чтению и по записи и может разделяться несколькими процессами.

Сегменты файлов, отображаемых в виртуальную память (см. п. 2.4.5), представляют собой разновидность разделяемых сегментов. Разница состоит в том, что если при необходимости освободить оперативную память страницы разделяемых сегментов копируются ("откачиваются") в специальную системную область подкачки (swapping space) на диске, то страницы сегментов файлов, отображаемых в виртуальную память, в случае необходимости откачиваются прямо на свое место в области внешней памяти, занимаемой файлом. Такие сегменты также допускают доступ и по чтению, и по записи и являются потенциально совместно используемыми.

На аппаратно-независимом уровне сегментная организация виртуальной памяти каждого процесса описывается структурой as, которая содержит указатель на список описателей сегментов, общий текущий размер виртуальной памяти (т.е. суммарный размер всех существующих сегментов), текущий размер физической памяти, которую процесс занимает в данный момент времени, и наконец, указатель на некоторую аппаратно-зависимую структуру, данные которой используются при отображении виртуальных адресов в физические. Описатель каждого сегмента (несколько огрубляя) содержит индивидуальные характеристики сегмента, в том числе, виртуальный адрес начала сегмента (каждый сегмент занимает некоторую непрерывную область виртуальной памяти), размер сегмента в байтах, список операций, которые можно выполнять над данным сегментом, статус сегмента (например, в каком режиме к нему возможен доступ, допускается ли совместное использование и т.д.), указатель на таблицу описателей страниц сегмента и т.д. Кроме того, описатель каждого сегмента содержит прямые и обратные ссылки по списку описателей сегментов данной виртуальной памяти и ссылку на общий описатель виртуальной памяти as.

На уровне страниц поддерживается два вида описательных структур. Для каждой страницы физической оперативной памяти существует описатель, входящий в один из трех списков. Первый список включает описатели страниц, не допускающих модификации или отображаемых в область внешней памяти какого-либо файла (например, страницы сегментов программного кода или страницы сегмента файла, отображаемого в виртуальную память). Для таких страниц не требуется пространство в области подкачки системы; они либо вовсе не требуют откачки (перемещения копии во внешнюю память), либо откачка производится в другое место. Второй список - это список описателей свободных страниц, т.е. таких страниц, которые не подключены ни к одной виртуальной памяти. Такие страницы свободны для использования и могут быть подключены к любой виртуальной памяти. Наконец, третий список страниц включает описатели так называемых анонимных страниц, т.е. таких страниц, которые могут изменяться, но для которых нет "родного" места во внешней памяти.

В любом описателе физической страницы сохраняются копии признаков обращения и модификации страницы, вырабатываемых конкретной используемой аппаратурой.

Для каждого сегмента поддерживается таблица отображения, связывающая адреса входящих в него виртуальных страниц с описателями соответствующих им физических страниц из первого или третьего списков описателей физических страниц для виртуальных страниц, присутствующих в основной памяти, или с адресами копий страниц во внешней памяти для виртуальных страниц, отсутствующих в основной памяти. (Правильнее сказать, что поддерживается отдельная таблица отображения для каждого частного сегмента и одна общая таблица отображения для каждого разделяемого сегмента.)

Введение подобной обобщенной модели организации виртуальной памяти и тщательное продумывание связи аппаратно-независимой и аппаратно-зависимой частей подсистемы управления виртуальной памятью позволило добиться того, что обращения к памяти, не требующие вмешательства операционной системы, производятся, как и полагается, напрямую с использованием конкретных аппаратных средств. Вместе с тем, все наиболее ответственные действия операционной системы, связанные с управлением виртуальной памятью, выполняются в аппаратно-независимой части с необходимыми взаимодействиями с аппаратно-зависимой частью.

Конечно, в результате сложность переноса той части ОС UNIX, которая относится к управлению виртуальной памятью, определяется сложностью написания аппаратно-зависимой части. Чем ближе архитектура аппаратуры, поддерживающей виртуальную память, к абстрактной модели виртуальной памяти ОС UNIX, тем проще перенос. Для справедливости заметим, что в подавляющем большинстве современных компьютеров аппаратура выполняет функции, существенно превышающие потребности модели UNIX, так что создание новой аппаратно-зависимой части подсистемы управления виртуальной памятью ОС UNIX в большинстве случаев не является чрезмерно сложной задачей.

Страничное замещение основной памяти и swapping

Как мы упоминали в конце п. 3.1.1, в ОС UNIX используется некоторый облегченный вариант алгоритма подкачки, основанный на использовании понятия рабочего набора. Основная идея заключается в оценке рабочего набора процесса на основе использования аппаратно (а в некоторых реализациях - программно) устанавливаемых признаков обращения к страницам основной памяти. (Заметим, что в этом подразделе при описании алгоритма мы не различаем функции аппаратно-независимого и аппаратно-зависимого компонентов подсистемы управления виртуальной памятью.)

Периодически для каждого процесса производятся следующие действия. Просматриваются таблицы отображения всех сегментов виртуальной памяти этого процесса. Если элемент таблицы отображения содержит ссылку на описатель физической страницы, то анализируется признак обращения. Если признак установлен, то страница считается входящей в рабочий набор данного процесса, и сбрасывается в нуль счетчик старения данной страницы. Если признак не установлен, то к счетчику старения добавляется единица, а страница приобретает статус кандидата на выход из рабочего набора процесса. Если при этом значение счетчика достигает некоторого (различающегося в разных реализациях) критического значения, страница считается вышедшей из рабочего набора процесса, и ее описатель заносится в список страниц, которые можно откачать (если это требуется) во внешнюю память. По ходу просмотра элементов таблиц отображения в каждом из них признак обращения гасится.

Откачку страниц, не входящих в рабочие наборы процессов, производит специальный системный процесс-stealer. Он начинает работать, когда количество страниц в списке свободных страниц достигает установленного нижнего порога. Функцией этого процесса является анализ необходимости откачки страницы (на основе признака изменения) и запись копии страницы (если это требуется) в соответствующую область внешней памяти (т.е. либо в системную область подкачки - swapping space для анонимных страниц, либо в некоторый блок файловой системы для страницы, входящей в сегмент отображаемого файла).

Очевидно, рабочий набор любого процесса может изменяться во время его выполнения. Другими словами, возможна ситуация, когда процесс обращается к виртуальной странице, отсутствующей в основной памяти. В этом случае, как обычно, возникает аппаратное прерывание, в результате которого начинает работать операционная система. Дальнейший ход событий зависит от обстоятельств. Если список описателей свободных страниц не пуст, то из него выбирается некоторый описатель, и соответствующая страница подключается к виртуальной памяти процесса (конечно, после считывания из внешней памяти содержимого копии этой страницы, если это требуется).