Управление памятью в UNIX

Дать общую характеристику управления памятью в UNIX затруднительно, поскольку эта часть системы претерпела наибольшие изменения за долгий период существования UNIX, пройдя путь от управления динамическими разделами физической памяти до современной схемы замещения страниц по требованию, подобной той, которая используется в Windows.

Каждый процесс в UNIX имеет собственное виртуальное адресное пространство, разделяющееся на области программы, данных и стека. В зависимости от архитектуры памяти компьютера, область памяти UNIX может быть реализована как один или несколько сегментов памяти, как набор виртуальных страниц или просто как область в физической памяти. Адреса и размеры областей хранятся как часть контекста процесса.

Область программы, как правило, доступна только для чтения и имеет фиксированный размер. Область данных доступна для чтения и записи, ее размер может изменяться в ходе работы с помощью системного вызова brk. Область стека автоматически увеличивается системой по мере заполнения стека. При запуске нескольких процессов, выполняющих одну и ту же программу, они разделяют общую область программы, но каждый из процессов получает собственные области данных и стека.

Когда процесс выполняет системный вызов exec (т.е. начинает выполнять другую программу), все его области памяти освобождаются и затем выделяются заново.

Ядро системы имеет собственные области памяти. При выполнении системных вызовов ядро работает в контексте вызвавшего процесса, т.е. оно имеет доступ как к собственной памяти, так и к областям памяти процесса.

Эффективное использование ограниченного объема физической памяти обеспечивается работой системных процессов-«демонов», управляющих перемещением информации между памятью и файлом подкачки. В ранних реализациях UNIX, не использовавших механизм виртуальных страниц, была возможна только подкачка и вытеснение целых процессов. Демон подкачки (системный процесс с идентификатором 0) периодически отслеживал состояние процессов и принимал решение о вытеснении отдельных процессов на диск и подкачке в освободившуюся память одного из ранее вытесненных процессов. При этом во внимание принималась длительность пребывания процесса в памяти или на диске, текущее состояние процесса (спящие процессы – более подходящие кандидаты на вытеснение, чем готовые) и его размер (часто таскать туда-сюда большие процессы невыгодно).

В современных реализациях, основанных на страничной организации памяти, значительную роль играет понятие списка свободных страниц, которые могут быть немедленно выделены, если какой-либо процесс обратится к виртуальной странице, отсутствующей в памяти. В этот список заносятся страницы, к которым долго не было обращения со стороны процессов. Поскольку в отношении страниц памяти трудно реализовать алгоритм LRU, обычно используется более простой алгоритм «второго шанса» (его другое название – «алгоритм часов»). Идея заключается в следующем. Для каждой физической страницы в таблице страниц хранятся бит использования и бит модификации. Эти биты устанавливаются аппаратно: бит использования – при каждом обращении к странице, а бит модификации – при записи на страницу. Системный процесс, называемый демоном замещения страниц, активизируется периодически (по таймеру) и следит, не слишком ли мал размер списка свободных страниц. Обычно порог устанавливается равным ¼ общего объема физической памяти. Если число свободных страниц ниже этого порога, демон начинает циклически проверять все физические страницы. Если у страницы установлен бит использования, то этот бит сбрасывается. Если же бит уже был сброшен, то страница включается в список свободных. Таким образом, страница попадает в список свободных, если после последнего обращения к ней страничный демон успел дважды ее опросить. Если у страницы установлен бит модификации (в другой терминологии, если страница «грязная»), то перед ее зачислением в список свободных система сохраняет данные в страничном файле. Зачисление в список свободных страниц не означает немедленной потери данных, и если процесс успеет обратиться к странице до того, как она будет отдана другому процессу, эта страница будет исключена из числа свободных.

Демон подкачки процессов тоже не дремлет. Если страничный демон слишком часто выполняет запись страниц на диск, а число свободных страниц тем не менее остается низким, то демон подкачки выбирает один из процессов и отправляет его целиком на диск, чтобы уменьшить конкуренцию за память.

Здесь описан (весьма приблизительно) лишь один из вариантов управления памятью, реализованных в различных версиях UNIX и в Linux. Поскольку алгоритмы управления физической памятью являются «внутренним делом» системы и не регламентируются никакими стандартами, соответствующие алгоритмы, используемые в разных версиях системы, могут значительно отличаться.

Литература

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2001. 544 с.

2. Таненбаум Э. Современные операционные системы. СПб.: Питер, 2002. 1040 с.

3. Столлингс В. Операционные системы. М.: Вильямс, 2002. 848 с.

4. Бек Л. Введение в системное программирование. М.: Мир, 1988. 448 с.

5. Краковяк С. Основы организации и функционирования ОС ЭВМ. М.: Мир, 1988. 480 с.

6. Кейслер С. Проектирование операционных систем для малых ЭВМ. М.: Мир, 1986. 680 с.

7. Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. М.: Мир, 1981. 360 с.

8. Рихтер Дж. Windows для профессионалов. М.: Издательский отдел «Русская редакция» ТОО “Channel Trading Ltd.”, 1995. 720 с.

9. Питрек М. Секреты системного программирования в Windows 95. Киев, Диалектика, 1996. 448 с.

10. Питрек М. Внутренний мир Windows. Киев, «ДиаСофт Лтд.», 1995. 416 с.

11. Робачевский А.М. Операционная система UNIX. СПб.: БХВ, 1999. 528 с.

12. Дансмур М., Дейвис Г. Операционная система UNIX и программирование на языке Си. М.: Радио и связь, 1989. 192 с.

13. Бах М. Архитектура операционной системы UNIX.

14. Финогенов К.Г. Самоучитель по системным функциям MS-DOS. М.: Радио и связь, Энтроп, 1995. 382 с.

15. Кнут Д. Искусство программирования. Т.1, Основные алгоритмы. М.: Вильямс, 2002. 720 с.

16. http://www.citforum.ru

17. http://www.rsdn.ru

18. http://www.emanual.ru

19. http://www.infocity.kiev.ua

20. http://www.helloworld.ru

21. http://www.msdn.microsoft.com

22. http://www.sysinternals.com

23. http://www.bcd.org

24. http://www.linux.org

25. http://www.informit.com