Введение. Главная задача компьютерной системы - выполнять программы

Главная задача компьютерной системы - выполнять программы. Программы, в течение выполнения, вместе с данными, к которым они имеют доступ должны (по крайней мере, частично) находиться в главной (основной, оперативной) памяти. Таким образом, память (storage, memory) является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления. В недавнем прошлом память - самый дорогой ресурс.

Часть ОС, которая управляет памятью, называется менеджером памяти. В процессе эволюции в менеджерах памяти современных ОС было реализовано несколько основополагающих идей.

Во-первых, это идея сегментации. По-видимому, вначале сегменты памяти появились в связи с необходимостью обобществления процессами фрагментов программного кода (текстовый редактор, тригонометрические библиотеки и т.д.), без чего каждый процесс должен был хранить в своем адресном пространстве дублирующую информацию. Эти отдельные участки памяти, хранящие информацию, которую система отображает в память нескольких процессов, получили название сегментов. Память, таким образом, стала двумерной. Адрес состоит из двух компонентов: номер сегмента, смещение внутри сегмента. Далее оказалось удобным размещать в разных сегментах данные разных типов (код программы, данные, стек и т. д.). Попутно выяснилось, что можно контролировать характер работы с конкретным сегментом, приписав ему атрибуты, например, права доступа или типы операций, разрешенные с данными, хранящимися в сегменте. Большинство современных ОС поддерживают сегментную организацию памяти (см. раздел, где описана модель памяти процесса). В некоторых архитектурах (Intel, например) сегментация поддерживается оборудованием.

Вторая идея, о которой можно упомянуть, рассматривая поддержку памяти в ОС, это разделение памяти на физическую и логическую. Адреса, к которым обращается процесс, отделяются от адресов, реально существующих в оперативной памяти. Адрес, сгенерированный программой, обычно называют логическим (в системах с виртуальной памятью он обычно называется виртуальным) адресом, тогда как адрес, который видит устройство памяти (то есть нечто, загруженное в адресный регистр) обычно называется физическим адресом. Задача ОС, в какой-то момент времени осуществить связывание (или отображение) логического адресного пространства с физическим (см. раздел 8.2).

И, наконец, идея локальности. Свойство локальности присуще природе. Пространственная локальность - соседние объекты характеризуются похожими свойствами (если в данной местности хорошая погода, то вероятнее всего, что в близкой окрестности также хорошая погода). Временная локальность - если в 15:00 была хорошая погода, то, вероятно, что и в 14:30 и в 15:30 также наблюдалась хорошая погода. Свойство локальности (скорее эмпирическое) присуще и работе ОС. Фактически свойство локальности объяснимо, если учесть, как пишутся программы и организованы данные, то есть обычно в течение какого-то отрезка времени ограниченный фрагмент кода работает с ограниченным набором данных. Понимание данной особенности позволяет организовать иерархию памяти, используя быструю дорогостоящую память для хранения минимума необходимой информации, размещая оставшуюся часть данных на устройствах с более медленным доступом и подкачивая их в быструю память по мере необходимости. Типичный пример иерархии: регистры процессора, кэш процессора, главная память, внешняя память на магнитных дисках (вторичная память).

Главная память - это массив слов или байт. Каждое слово имеет свой адрес. Использование вторичной памяти (хранение данных на дисках) в качестве расширения главной дает дополнительные преимущества. Во-первых, главная память слишком мала, чтобы содержать все необходимые программы и данные постоянно. Во-вторых, главная память есть изменчивое (volatile) устройство, которое теряет свое содержимое, когда питание отключено или по другим причинам. Одно из требований к вторичной памяти - умение хранить большие объемы данных постоянно.

Функциями ОС по управлению памятью являются: отображение адресов программы на конкретную область физической памяти, распределение памяти между конкурирующими процессами и защита адресных пространств процессов, выгрузка процессов на диск, когда в оперативной памяти недостаточно места для всех процессов, учет свободной и занятой памяти.

Существует несколько схем управления памятью. Выбор той или иной схемы зависит от многих факторов. Рассматривая ту или иную схему важно учитывать:

• Механизм управления памятью или идеологию построения системы управления.
• Архитектурные особенности используемой системы.
• Структуры данных в ОС, используемые для управления памятью.
• Алгоритмы, используемые для управления памятью.

Вначале будут рассмотрены простейшие схемы, затем, описана доминирующая на сегодня схема виртуальной памяти, ее аппаратная и программная поддержка.