Управление памятью в операционных системах
Введение
Управление памятью – это критически важная и при этом довольно сложная задача для операционной системы. Это дает возможность запускать несколько процессов одновременно без сбоев.
Понимание того, как работает управление памятью в операционных системах, имеет ключевое значение для стабильности и высокой производительности системы.
В этой статье мы рассмотрим ключевые концепции управления памятью в операционных системах.
Что такое управление памятью?
Основные компоненты управления памятью – это процессор и блок памяти. Эффективность системы зависит от того, как эти два компонента взаимодействуют друг с другом.
Эффективность управления памятью зависит от двух факторов:
1. Организация блока памяти. Блок памяти состоит из нескольких типов памяти. Иерархия и организация памяти компьютера влияют на скорость доступа к данным и размер хранилища. Более быстрые и меньшие кэши хранятся ближе к процессору, а более крупная и медленная память – дальше.
2. Доступ к памяти. Процессор постоянно обращается к данным, которые хранятся в памяти. Эффективный доступ к памяти влияет на то, насколько быстро процессор выполняет задачи и становится доступным для новых. Доступ к памяти предусматривает работу с адресами и определение правил доступа на разных уровнях памяти.
Управление памятью позволяет найти компромисс между скоростью, вместимостью и энергопотреблением компьютера. Основная память обеспечивает быстрый доступ, но не постоянное хранение. А вот вспомогательная память обеспечивает постоянное хранение, но медленный доступ.
Для чего нужно управление памятью?
Основная память – это неотъемлемая часть операционной системы. С ее помощью процессор может получать доступ к данным, которые необходимы для запуска процессов. Однако многочисленные операции чтения-записи замедляют работу системы.
В связи с этим, чтобы оптимизировать использование процессора и повысить скорость компьютера, в памяти размещаются несколько процессов сразу. Управление памятью необходимо для того, чтобы наиболее эффективно разделить память между процессами.
Таким образом, управление памятью влияет на следующие факторы:
- Использование ресурсов. Управление памятью – это ключевой аспект распределения ресурсов компьютера. Центральный компонент – оперативная память, и процессы используют ее для работы. Операционная система сама решает, как разделить память между процессами. Правильное распределение гарантирует, что каждый процесс получит необходимое количество памяти для одновременного выполнения.
- Оптимизация производительности. Те или иные механизмы управления памятью оказывают значительное влияние на скорость и стабильность системы. Все эти механизмы направлены на то, чтобы сократить количество операций получения доступа к памяти, которые дают большую нагрузку на процессор.
- Безопасность. Управление памятью обеспечивает безопасность данных и процессов. Изоляция памяти позволяет сделать так, чтобы процессы использовали только ту память, которую им предоставили. Кроме того, управление памятью позволяет реализовать механизм прав доступа, который поможет предотвратить вход в закрытые области памяти.
Для отслеживания выделенной процессам памяти операционные системы используют адреса памяти.
Адреса памяти
Адреса памяти крайне важны для управления памятью в операционных системах. Адрес памяти – это уникальный идентификатор конкретной области или ячейки памяти. С помощью адресов можно легко находить и получать доступ к информации, которая хранится в памяти.
Механизмы управления памятью позволяют отслеживать каждую ячейку памяти, сопоставлять адреса и управлять адресным пространством памяти. В различных ситуациях могут потребоваться разные способы обращения к ячейкам памяти.
Ниже описаны два типа адресов основной памяти. Каждый из них играет свою роль в управлении памятью и служит определенной цели.
Физические адреса
Физический адрес – это числовой идентификатор, который указывает на ячейку физической памяти. Этот адрес представляет собой фактическое расположение данных в аппаратном обеспечении и играет важнейшую роль в низкоуровневом управлении памятью.
Аппаратные компоненты, такие как процессор и контроллер памяти, используют именно физические адреса. Эти адреса уникальны и указывают на конкретную ячейку, за счет чего аппаратное обеспечение может быстро находить любые данные. Для пользовательских программ физические адреса непригодны.
Виртуальные адреса
Виртуальный адрес – это адрес, сгенерированный программой. Он представляет собой абстракцию физической памяти. Все процессы используют адресное пространство виртуальной памяти в качестве выделенной памяти.
Виртуальные адреса не соответствуют никаким ячейкам физической памяти. Программы читают и создают виртуальные адреса, не подозревая о существовании физического адресного пространства. Блок оперативной памяти (MMU - Main Memory Unit) отвечает за сопоставление виртуальных адресов с физическими, чтобы обеспечить правильный доступ к памяти.
Для более эффективного использования памяти виртуальное адресное пространство разделено на сегменты и страницы.
Статическая и динамическая загрузка
Статическая и динамическая загрузка – это два способа выделения памяти под исполняемые программы. Они различаются количеством используемой памяти и ресурсов. Выбор зависит от количества доступной памяти и ресурсов, а также необходимой производительности.
- Статическая загрузка распределяет память и адреса при запуске программы. Однако, когда программа заранее загружается в память вместе со всеми необходимыми ресурсами, мы получаем предсказуемое, но крайне неэффективное использование ресурсов. Системные утилиты и приложения используют статическую загрузку с целью упростить распространение программ. Исполняемые файлы требуют компиляции и, как правило, представляют собой довольно большие файлы. Как правило, статическую загрузку используют операционные системы реального времени, загрузчики и устаревшие системы.
- Динамическая загрузка распределяет память и адреса непосредственно во время выполнения программы, и сама программа запрашивает ресурсы по мере необходимости. Динамическая загрузка позволяет снизить объем потребляемой памяти и обеспечивает многозадачную среду. Исполняемые файлы меньше по размеру, но добавляют дополнительную сложность за счет утечек памяти, потребления ресурсов и ошибок в процессе выполнения. Современные операционные системы (Linux, macOS, Windows), мобильные операционные системы (Android, iOS) и веб-браузеры используют именно динамическую загрузку.
Статическое и динамическое связывание
Статическое и динамическое связывание — это два способа работы с библиотеками и зависимостями программ, аналогичные статической и динамической загрузке:
- Статическое связывание выделяет память для библиотек и зависимостей при запуске программы и до компиляции. Программы являются полностью готовыми и не требуют внешних библиотек в процессе компиляции.
- Динамическое связывание выделяет память для библиотек и зависимостей после запуска программы и по мере необходимости. После компиляции программы находятся в поиске необходимых внешних библиотек.
Как правило, статическая загрузка и связывание объединяются в единый подход управления памятью, при котором все ресурсы программы определяются заранее. Аналогичным образом динамическая загрузка и связывание создают свою стратегию, в которой программы распределяют и ищут ресурсы по мере необходимости.
Комбинирование различных стратегий загрузки и связывания в некотором смысле возможно. Такой смешанный подход будет довольно сложен с точки зрения управления, но при этом даст преимущества обоих методов.
Подкачка
Подкачка (англ. swapping) – это механизм управления памятью, который операционные системы используют для того, чтобы освобождать место в оперативной памяти. Механизм позволяет перемещать неактивные процессы или данные между оперативной памятью и вспомогательным хранилищем, например, жестким или SSD-диском.
Для разрешения вопроса, связанного с ограниченным размером оперативной памяти, процесс подкачки прибегает к использованию виртуальной памяти. За счет этого, подкачка считается крайне важным методом управления памятью в операционных системах. Этот метод использует область вспомогательной памяти и создает там swap-память, то есть дополнительный раздел или файл.
Swap-пространство позволяет превысить объем оперативной памяти за счет разделения данных на блоки фиксированного размера (страницы). Механизм подкачки отслеживает, какие страницы находятся в оперативной памяти, а какие откачиваются из-за ошибок страниц.
Чрезмерная подкачка приводит к снижению производительности, так как вспомогательная память начинает работать медленнее. Различные стратегии подкачки и значения коэффициента подкачки позволяют минимизировать ошибки страниц, гарантируя, что в оперативной памяти находятся только необходимые данные.
Фрагментация
Фрагментация – это то, что мы получаем при попытке разделить память на разделы. Операционная система занимает только часть основной памяти. Оставшаяся основная память предназначена для процессов и делится на более мелкие разделы. Такое разделение не подразумевает использование виртуальной памяти.
Существует два способа, как можно разбить оставшуюся память: на разделы фиксированного или динамически меняющегося размера. В результате вы получите два разных типа фрагментации:
- Внутренняя. Если оставшаяся память разделена на одинаковые по размеру разделы, то программы, размер которых превышает размер раздела, требуют перекрытия, а программы меньшего размера занимают больше места, чем им положено. И все это нераспределенное пространство создает внутреннюю фрагментацию.
- Внешняя. Динамическое разделение оставшейся памяти позволяет создавать разделы с изменяемым размером. Процесс получает ровно столько памяти, сколько ему необходимо. Когда процесс завершается, пространство освобождается. Через какое-то время начинают появляться неиспользуемые интервалы памяти, что приводит к внешней фрагментации.
Внутренняя фрагментация требует конструктивных изменений. Как правило, это разрешается с помощью механизма подкачки и сегментации.
Внешняя фрагментация требует, чтобы операционная система выполняла периодическую дефрагментацию и освобождала неиспользуемое пространство.
Методы управления памятью
Разные методы управления памяти решают разные проблемы, возникающие вследствие неправильной организации памяти. Одна из основных целей этих методов – оптимизировать потребление ресурсов в системе.
Существует два основных подхода к распределению и управлению памятью: управление непрерывной памятью и управление несмежной памятью. Каждый из этих подходов имеет свои преимущества, и выбор зависит от требований системы и аппаратной архитектуры.
Схемы управления непрерывной памятью
Схемы управления непрерывной памятью выделяют процессам блоки непрерывной памяти. Адреса памяти и процессы имеют линейную зависимость, что упрощает реализацию этой системы.
Существуют различные способы реализации схем управления непрерывной памятью. Ниже мы представили краткое описание известных схем.
Выделение общей непрерывной памяти
Персональное выделение непрерывной памяти – это один из первых методов управления памятью. При такой схеме оперативная память делится на два раздела:
- Раздел операционной системы. Раздел закреплен за операционной системой, которая загружается в него при запуске.
- Раздел пользовательского процесса. Второй раздел предназначен для загрузки одного пользовательского процесса и всех связанных с ним данных.
Такая схема была реализована в более старых операционных системах, таких как MS-DOS. Система довольно простая, и отслеживать необходимо всего два раздела. Но такой простой подход не обеспечивает изоляцию процессов и приводит к тому, что память тратиться впустую.
Современные операционные системы не используют такой метод управления памятью. Но эта схема заложила фундамент для развития других методов управления памятью.
Распределение с фиксированными разделами
Распределение с фиксированными разделами – это схема управления памятью, которая подразумевает деление оперативной памяти на разделы одинакового размера. Размер раздела определяется заранее, поэтому необходимо заранее знать, сколько памяти требуется процессам.
Операционная система отслеживает и выделяет процессам разделы. Каждый процесс получает выделенный ему раздел, который обеспечивает изоляцию памяти и безопасность процесса.
Однако использование разделов фиксированного размера приводит к фрагментации. Если процессы оказываются меньше раздела, то возникает внутренняя фрагментация. А внешняя фрагментация возникает со временем, в результате чего становится сложнее выделять память под более крупные процессы.
Алгоритм двойников
Алгоритм двойников – это схема динамического управления памятью. Здесь оперативная память делится на блоки переменного размера. Зачастую размеры представляются степенями двойки (2 Кб, 4 Кб, 8 Кб, 16 Кб и т.д.).
Когда процесс запрашивает память, ОС начинает искать наиболее подходящий блок наименьшего размера, чтобы выделить его под этот процесс. Если блоков поменьше нет, тогда большие блоки делятся пополам. Когда память освобождается, ОС проверяет, свободны ли соседние блоки (блоки-двойники), и объединяет их в более крупные.
Для отслеживания состояния блоков памяти и поиска свободных алгоритм двойников использует двоичное дерево. Такая схема поддерживает баланс между фрагментацией и эффективным распределением памяти. Самые примечательные области применения – это память ядра Linux и встроенные системы.
Схемы управления несмежной памятью
Схемы управления несмежной памятью позволяют распределять процессы по всей памяти. Адреса памяти и процессы имеют нелинейную зависимость, и процессы могут получить память где угодно.
Эти схемы направлены на решение проблем фрагментации, но они довольно сложны с точки зрения реализации. Большая часть современных операционных систем используют именно управление несмежной памятью.
Ниже мы привели описание самых важных механизмов управления несмежной памятью.
Страничная организация памяти
Страничная организация памяти – это подход к управлению оперативной и виртуальной памятью. При таком подходе память делится на блоки одинакового размера:
- Страницы. Блоки виртуальной памяти с логическими адресами.
- Страничные кадры. Блоки оперативной памяти с физическими адресами.
Этот механизм к каждому процессу применяет таблицу страниц, где отслеживает процесс сопоставления адресов страниц и кадров. А вот операционная система по мере необходимости перемещает данные между оперативной и вспомогательной памятью, используя подкачку.
Страничная организация памяти позволяет сократить внешнюю фрагментацию. Это гибкий, переносимый и эффективный механизм управления памятью. Его используют многие современные операционные системы (Linux, Windows и macOS).
Сегментация
Сегментация — это схема управления памятью, при которой память делится на логические сегменты. Каждый сегмент соответствует определенной области, где в рамках процесса выполняются различные функции и задачи.
В отличие от страниц, сегменты имеют разные размеры. Каждый сегмент имеет уникальный идентификатор, который называется дескриптором сегмента. Операционная система хранит таблицу сегментов, содержащую дескриптор, смещение и базовый адрес. И чтобы вычислить физический адрес, процессор объединяет смещение и базовый адрес.
Сегментация - это динамический, безопасный и логический подход к управлению памятью. Однако этот механизм довольно сложен и подходит не для всех случаев.
Заключение
Прочитав данное руководство, вы ознакомились со всеми подробностями управления памятью в операционных системах.
