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.

[1] Как вспоминает один из разработчиков первого советского компьютера МЭСМ (Малая(!) Электронная Счетная Машина), когда этого монстра включали, то приходилось в январе месяце открывать все окна, чтобы удержать температуру в машинном зале в пределах 30°.

[2] Источник термина не совсем понятен. Среди значений английского слова «cash» наиболее подходящим кажется «наличные деньги» - та мелочь в кошельке, которая позволяет не обращаться каждый раз в банк ради мелких покупок.

[3] Вспомните, как поступает Windows при очередной загрузке после некорректного выключения компьютера.

[4] Теоретически можно задать число копий FAT, отличное от двух. Это число хранится как один из параметров в BOOT-секторе. На практике всегда используются две копии FAT.

[5] Как вы думаете, в чем разница между перемещением файла в пределах одного диска и перемещением с диска на диск?

[6] Придумано около десятка неудачных вариантов русского эквивалента для термина «handle», среди них – дескриптор, ссылка, логический номер, ключ, манипулятор, описатель, индекс... Выразительнее всего был бы прямой перевод – «рукоятка», но ни у кого не хватает смелости, чтобы ввести такой «несерьезный» термин. Так что давайте удовольствуемся честной транслитерацией «хэндл».

[7] Налицо некоторый разнобой в общепринятой терминологии: в системе с невытесняющей диспетчеризацией вытеснение процесса все-таки возможно, но только по инициативе самого процесса.

[8] Иногда используют также термин «разделение времени» (time sharing). Однако этот термин лучше оставить для обозначения многотерминальных ОС, описанных в п. 1.3.3. К системам с квантованием времени относятся также ОС реального времени, заметно отличающиеся от систем разделения времени.

[9] Но к экзамену вспомнить!

[10] Одно и то же расширение EXE означает различные форматы программ для MS-DOS и для Windows разных версий. Каждый из этих форматов имеет собственную сигнатуру. Например, для EXE-файлов современной Windows используется сигнатура 'PE'.

[11] Использование слова «nice» – «приятный, любезный, благовоспитанный, изящный» в данном контексте обычно объясняют так: этот процесс настолько любезен, что уступает всем дорогу.

[12] Опыт подсказывает, что как только компьютеры с памятью в несколько гигабайт станут обычными, появятся и программы, способные найти более или менее полезное употребление всей этой памяти.