Виртуальная память, страничная организация и сегментация

Индикатор диска, означающий, что машина сдалась

• Откройте слишком много приложений на машине с нехваткой памяти, и произойдет нечто характерное. Всё замедляется почти до остановки, а индикатор диска перестает мигать и остается включенным.
• Процессор не занят. Он ожидает, потому что данные, необходимые каждой программе, находятся на диске, и загрузка одной страницы вытесняет другую, которая понадобится чуть позже.
• Машина ничего не делает, кроме перемещения страниц. У нее достаточно работы и достаточно памяти, чтобы делать ни то, ни другое.
• Этот урок посвящен виртуальной памяти, тому, как постраничная организация и сегментация ее обеспечивают, и тому, как тот же механизм, который делает память больше, может сделать машину бесполезной.

Виртуальное адресное пространство

• Каждому процессу выделяется собственное виртуальное адресное пространство: чистый, непрерывный диапазон адресов, начинающийся с нуля, который ОС отображает в любое место, где реально находятся данные.
• Из этого следуют три вещи. Каждый процесс видит простое приватное пространство и не должен знать о том, что еще запущено. Процессы защищены друг от друга, так как один не может обратиться к адресу в пространстве другого. А общий объем используемой памяти может превышать физическую ОЗУ, поскольку ее часть хранится на диске.
• Эта изоляция является границей безопасности в той же мере, что и удобством.

Постраничная организация (Paging)

• Виртуальное пространство делится на фиксированные по размеру страницы; физическая память — на кадры того же размера. Таблица страниц фиксирует, какой кадр в данный момент содержит каждую страницу.
• Когда процесс обращается к адресу, аппаратное обеспечение ищет страницу в таблице и находит кадр. Если страница не находится в ОЗУ, это ошибка обращения к странице (page fault).
• При ошибке обращения к странице ОС считывает её из файла подкачки на диске в свободный кадр. Если нет свободного кадра, нужно сначала вытеснить страницу, записав её обратно на диск, если она была изменена.

Страницы и кадры одинакового размера, соединенные таблицей

Разобранное решение: что происходит при ошибке обращения к странице

Тряска (Thrashing)

• Выбор страницы для замены имеет значение, потому что неправильный выбор означает, что она снова понадобится немедленно.
• Когда ОЗУ недостаточно для рабочего набора запущенных процессов, почти каждое обращение вызывает ошибку обращения к странице, и каждая ошибка вытесняет страницу, которая требуется снова тут же.
• Система затем тратит почти всё время на перемещение страниц вместо выполнения инструкций. Это тряска или тряска диска, и именно это состояние описано в начале этого урока.
• Лечение — это больше ОЗУ или меньше процессов; более быстрый процессор совершенно не помогает, потому что загружен не процессор.

Сегментация

• Сегментация делит память на логические сегменты переменной длины, соответствующие структуре самой программы: код, стек, куча, большой массив данных.
• Поскольку сегмент является логической единицей, он может иметь собственные права доступа: сегмент кода может быть только для чтения и исполняемым, стек — для чтения/записи и неисполняемым.
• Противопоставление, которое ожидается на экзамене: страницы имеют фиксированный размер и не имеют смысла для программы; сегменты имеют переменный размер и соответствуют логическим частям программы. Многие реальные системы комбинируют оба подхода, используя постраничную организацию внутри сегментов.

Сегменты — это части самой программы, а не равные куски

Разобранное решение: постраничная организация против сегментации

Потерянные баллы

Вы поняли