Страничная организация памяти

Эта форма организации виртуальной памяти во многом похожа на сегментную. Основные различия заключаются в том, что все страницы, в отличие от сегментов, имеют одинаковые размеры, а разбиение виртуального адресного пространства процесса на страницы выполняется системой автоматически. Типичный размер страницы – несколько килобайт. Для процессоров Pentium, например, страница равна 4 Кб.

Все виртуальные адреса одного процесса относятся к единому линейному пространству, Проще сказать, виртуальный адрес выражается одним числом, от 0 до некоторого максимума. Старшие разряды двоичного представления этого адреса определяют номер виртуальной страницы, а младшие разряды – смещение от начала страницы. Например, для страниц по 4 Кб смещение занимает 12 младших разрядов адреса.

Физическая память также считается разбитой на части, размеры которых совпадают с размером виртуальной страницы. Эти части называются физическими страницами или страничными кадрами (page frames). Таблица страниц процесса по структуре похожа на таблицу сегментов. Для каждой виртуальной страницы она содержит режим доступа, флаг присутствия страницы в памяти, номер страничного кадра, флаг чистоты. Если страница отсутствует в памяти, ее данные сохраняются в файле подкачки, который в этом случае чаще называют страничным файлом (page file).

Простейший вариант схемы преобразования виртуального страничного адреса в физический адрес показан на рис. 5‑3.

Рис. 5‑3

В отличие от случая сегментной организации, вместо сложения базового адреса со смещением в данном случае можно просто собрать вместе номер физической страницы и смещение.

При переключении текущего процесса система просто изменяет адрес используемой таблицы страниц, тем самым полностью изменяя отображение виртуальных адресов на физические.

Страничная организация памяти не может привести к фрагментации, поскольку все страницы одинаковы по размеру, а потому каждая высвобожденная физическая страница может быть затем использована для любой понадобившейся виртуальной страницы.

Размер пространства виртуальных адресов каждого процесса может быть огромным, ибо он определяется только разрядностью адреса. Для 32-разрядных процессоров этот размер равен 2³² = 4 Гб. В настоящее время трудно представить программу, которой может всерьез понадобиться столько памяти, да и компьютер с таким объемом памяти – вещь не рядовая[12]. На самом деле, программа обычно использует лишь небольшую часть своего адресного пространства, не более нескольких десятков или, в крайнем случае, сотен мегабайт. Только эти используемые страницы и должны быть отображены на физическую память. Тем не менее, суммарный объем страниц, используемых всеми процессами в системе, обычно превосходит объем имеющейся физической памяти, поэтому использование страничного файла становится неизбежным.

Управление замещением страниц в физической памяти в современных РС строится по принципу загрузки по требованию (demand paging). Это означает следующее. Когда программа только лишь планирует использование определенной области виртуальной памяти (например, для хранения массива переменных, описанного в программе), соответствующие виртуальные страницы помечаются в таблице страниц как существующие, но находящиеся в данный момент на диске. В некоторых системах при этом за виртуальной страницей действительно закрепляются конкретные блоки в страничном файле, хотя из соображений экономии дисковой памяти это можно сделать позже, когда реально потребуется записать страницу на диск. Выделение страниц физической памяти не выполняется до тех пор, пока программа не обратится к одной из ячеек виртуальной страницы. При этом происходит аппаратное прерывание по отсутствию страницы в памяти. Это прерывание обрабатывает часть ОС, которая называется менеджером памяти. Менеджер должен выполнить следующие действия:

· найти свободную физическую страницу;

· если свободной страницы нет (а ее чаще всего нет), то по определенному алгоритму выбрать занятую страницу, которая будет вытеснена на диск;

· если выбранная страница «грязная», т.е. ее содержимое изменялось после того, как она последний раз была прочитана с диска, то «очистить» страницу, т.е. записать ее в соответствующий блок страничного файла;

· на освободившуюся физическую страницу прочитать блок страничного файла, закрепленный за запрошенной виртуальной страницей;

· откорректировать таблицу страниц, пометив вытесненную страницу как отсутствующую в физической памяти, а прочитанную – как присутствующую и при этом «чистую»;

· повторить обращение к запрошенному виртуальному адресу, теперь уже присутствующему в физической памяти.

Последующие обращения к виртуальным адресам той же страницы будут успешно выполняться, пока страница не будет, в свою очередь, вытеснена на диск.

Приведенная схема работы менеджера памяти с загрузкой страниц по требованию очень похожа на кэширование диска, рассмотренное в п. 2.6.6. Эффективность работы системы базируется на том же самом эффекте локальности ссылок, но только примененном не к блокам диска, а к страницам памяти.

Однако есть и очень существенное отличие. Обращение программы к дисковому кэшу происходит только при запросе на выполнение операции чтения с диска или записи на диск, что происходит не столь часто. Поэтому система может позволить себе затратить некоторое время на выполнение операций по поддержанию кэша в должном порядке. Например, если для выбора вытесняемого блока используется алгоритм LRU, то при каждом обращении к кэш-буферу этот буфер должен переставляться в конец очереди.

Менеджер памяти работает в иной ситуации. Обращения к памяти происходят с огромной частотой, при выполнении почти каждой команды процессора. Абсолютно нереально при каждом обращении предпринимать какие-то программные действия. Из этого следует, что алгоритм выбора вытесняемой страницы должен опираться на аппаратную поддержку. Поскольку алгоритм LRU не так просто реализовать аппаратно, вместо него часто используют алгоритмы, более простые в реализации, пусть даже они менее эффективны.

Недостатком страничной организации является то, что при большом объеме виртуального адресного пространства сама таблица страниц должна быть очень большой. При размере страницы 4 Кб и адресном пространстве 4 Гб таблица должна содержать миллион записей! Однако вряд ли программа процесса постоянно использует весь огромный диапазон адресов. Как правило, на каждом интервале времени интенсивно используются только некоторые части таблицы страниц (это еще одно проявление локальности ссылок). Желательно иметь возможность вытеснять на диск временно неиспользуемые части таблицы страниц. Такая возможность в современных процессорах обеспечивается использованием более сложной, двухуровневой схемы страничной адресации. В этой схеме все адресное пространство делится на разделы равной величины, каждый из которых описывается отдельной небольшой таблицей страниц. Имеется также каталог таблиц страниц, который описывает текущее состояние каждой таблицы точно так же, как сама таблица страниц описывает состояние страниц памяти. Те таблицы страниц, которые долго не используются, вытесняются на диск и соответствующим образом помечаются в каталоге. Виртуальный адрес делится не на две, а на три части. Старшие разряды адреса указывают позицию таблицы в каталоге, средние разряды – позицию страницы в таблице, младшие – смещение адреса от начала страницы.