Wykład nt. podstawy systemów operacyjnych -- pamięć Instytut Informatyki Politechniki Łódzkiej w Łodzi mgr inż. Bartosz Lis Wykład nt. Podstawy systemów operacyjnych dla potrzeb Studium Podyplomowego "Inżynierskie Zastosowania Informatyki" Poprzedni | Spis treści | Następny  | Zadania Rozdział 3: Zarządzanie pamięcią Do czego procesowi pamięć Każdy prces działający w komputerze wymaga pamięci operacyjnej do przechowywania kodu swego prograamu i danych które przetwarza. Dane, które przetwarza proces reprezentowane są przez zmienne programu. Przez zmienną programu rozumie się obszar pamięci o ustalonym adresie początkowym i długości, do którego można odwoływać się z programu poprzez symbol zwany nazwą zmiennej.  Każda zmienna posiada swój typ, definiowany jako zbiór, którego elementy mogą być kodowane przez wartości zmiennej, np. typ char języka C koduje znaki zbioru ASCII lub liczby z przedziału -128 do 127.  Typ decyduje o długości obszaru przeznaczonego na zmienną. Ważnymi typami zmiennych są zmienne wskaźnikowe. Przechowują one adresy (adresy początku obszaru) innych zmiennych. Z punktu widzenia zarządzania pamięcią wyróżnia się trzy klasy zmiennych: Zmienne statyczne - są tworzone przy starcie procesu i istnieją przez cały czas jego życia. Określenie zmienna statyczna może być mylące. Zmienna ta, oczywiście, może być modyfikowana przez program. Określenie statyczna odnosi się do sposobu gospodarowania pamięcią tej zmiennej - rezerwuje się ją przy starcie a zwalnia przy końcu procesu. Przez cały czas życia procesu dany obszar pamięci wykorzystywany jest w ten sam sposób - na przechowywanie aktualnej wartości danej zmiennej. Zmienne lokalne podprogramów zwane też automatycznymi - są tworzone dla każdego wywołania podprogramu i usuwane po jego zakończeniu. Zmienne dynamiczne - są tworzone i usuwane w miarę potrzeby. Wyróżnia się trzy zasadnicze grupy obszarów pamięci, z których korzysta proces: Obszary zajmowane przez kod programu i bibliotek. Na pamięci wchodzącej w skład tych obszarów po załadowaniu programu (lub biblioteki) procesor wykonuje jedynie operacje odczytu. Obszary te mogą być wspólny dla różnych procesów wykonujących ten sam program, lub korzystających z tej samej bibloteki ładowanej dynamicznie. Obszary zajmowany przez prywatne dane programu, w tym zmienne statyczne i dynamiczne. Obszar ten jest inicjowany przy starcie procesu początkowymi wartościami zmiennych globalnych (często zerami). W trakcie życia procesu dokonywane są zarówno operacje odczytu jak i zapisu. Obszar przechowujący zmienne dynamiczne nazywany jest stertą. Tworzenie i niszczenie zmiennych dynamicznych może powodować zwiększanie się i zmniejszanie tego obszaru w trakcie życia procesu. Każdy proces wymaga własnego obszaru prywatnych danych. Jeżeli proces składa się z wątków, wątki współdzielą obszar danych procesu. Obszar stosu. W obszarze tym zapamiętuje się adresy powrotów z podprogramów oraz przechowuj zmienne lokalne (dla każdego wywołania podprogramu tworzony jest jego własny komplet zmiennych lokalnych). Obszar ten jest rezerwowany w pamięci przy starcie procesu. Z początku jest pusty. Wypełnia się i opróżnia w miarę jak wywoływane i kończone są poszczególne podprogramy. Każdy wątek wymaga własnego obszaru stosu. Powyższe obszary pamięci bywają często nazywane segmentami odpowiednio kodu, danych i stosu. Można wyróżnić dodatkowe obszary pamięci dostępnej procesowi: Obszary systemowe. W nowoczesnych systemach operacyjnych dostęp do tych obszarów proces ma tylko wtedy, gdy wykonuje w trybie jądra podprogram jądra systemu operacyjnego. Dane systemu operacyjnego w tym np. bufory dyskowe, kod jądra systemu operacyjnego, kod sterowników urządzeń w pamięci ROM, adresowalna pamięć urządzeń wejścia wyjścia, np. pamięć obrazu karty graficznej. Pamięć dzielona - obszary pamięci przechowujące dane, do których dostęp ma więcej niż jeden proces. Pliki dyskowe mapowane na pamięć. Rozważmy prosty program w C #include <stdio.h> #include <string.h> char napis[] = "Hello world!"; void main() {   char *tymczasowa;   tymczasowa=strdup(napis);   printf("%s\n",tymczasowa);   free (tymczasowa); } Rys. 3.1 Przykładowy program w C używający różnych klas zmiennych W trakcie działania powyższego programu tworzone są (a potem usuwane) następujące zmienne: zmienna statyczna ``napis '' zawierająca łańcuch "Hello World!"; bezimienna zmienna statyczna zawierająca łańcuch "%s\n"; zmienna lokalna funkcji ``main'' typu wskaźnikowego (wskaźnik do typu char) o nazwie ``tymczasowa''; zmienna dynamiczna, będąca duplikatem zmiennej ``napis'', wskaźnik do niej podstawiany jest do zmiennej ``tymczasowa''. inne zmienne zadeklarowane w standardowej bibliotece C, których deklaracje znajdują się w plikach nagłówkowych stdio.h i string.h Przy starcie procesu wykonującego powyższy program w obszarze kodu programu znajdzie się skompilowana funkcja ``main'' oraz skompilowane niezbędne funkcje biblioteczne w tym funkcje ``printf'', ``strdup'' i ``free''. W obszarze danych statycznych utworzone będą zmienne ``napis'', bezimienna zmienna zawierająca łańcuch "%s\n" oraz niesprecyzowane tutaj bliżej zmienne tworzone dla potrzeb bibliotek. Po zainicjowaniu pamięci proces zaczyna wykonywać swój kod poczynając od funkcji ``main''. W trakcie prologu tej funkcji rezerwowane jest na stosie miejsce na zmienną ``tymczasowa''. W trakcie wykonania (druga linijka) tworzona jest zmienna dynamiczna będąca duplikatem zmiennej ``napis'' a jej adres wstawiany jest do zmiennej ``tymczasowa''. Przy końcu programu zmienna dynamiczna (której adres wciąż przechowuje zmienna ``tymczasowa'') jest niszczona. Epilog funkcji ``main'' niszczy zmienną lokalną ``tymczasowa''. Zakończenie się tej funkcji kończy jednocześnie proces. W trakcie usuwania zakończonego procesu niszczone są pozostałe zmienne. Gospodarka pamięcią w systemach bez mechanizmu pamięci wirualnej CP/M Najprostszą gospodarkę pamięcią prezentuje system operacyjny CP/M. Ponieważ w systemi tym może istnieć tylko jeden proces, dostaje on całą pamięć w swoje władanie. System operacyjny iinformuje go jedynie, gdzie znajdują się jego obszary pamięci. Poza tym ostrzeżeniem, system operacyjny nie chroni swej pamięci przed procesem. Systemy wieloprocesowe W wieloprocesowych systemach operacyjnych należy stworzyć mechanizmy przydzielania pamięci wielu procesom oraz ochrony pamięci przydzielonej poszczególnym procesom i pamięci zajmowanej przez kod i dane jądra przed innymi procesami. W pierwszych sysemach wieloprocesowych z ochroną pamięci uruchamiany proces otrzymywał sztywną pulę pamięci wyznaczną przez adresy graniczne. Proces musiał zmieścić swój kod i dane w zadanym obszarze. Użycie zmiennych dynamicznych było w związku z tym ograniczone. W przypadku odwołania się do adresów spoza wyznaczonych granic proces wpadał w pułapkę i był kończony. MS-DOS W systemie operacyjnym MS-DOS proces przy starcie może zarezerwować pewną ilość tzw. segmentów pamięci operacyjnej położonej poniżej adresu 655360. W trakcie życia może zarezerwować dodatkowe segmenty lub zwolnić je. Może też rezerwować i zwalniać pamięć powyżej 1MB. Nowy proces będzie uruchomiony pod warunkiem, że jest dość segmentów dla niego w obszarze pierwsych 640kB pamięci. MS-DOS nie zapewnia ochrony pamięci. MS-Windows 3.x Windows 3.x są nakładką na MS-DOS częściowo modyfikującą jego zachowanie, m in. zarządzanie pamięcią. Przede wszystkim znika ograniczenie wielkości pamięci procesu do 640kB. MS-Windows również nie zapewniają pamięci. Obszary pamięci można rezerwować jako: Fixed - Obszar ten cały czas dostępny jest pod adresami przydzielonymi mu przy rezerwacji. W obszarach tej klasy lokuje się kod, dane statyczne i stos procesu. Movable - Aby odwoływać się do adresów w tym obszarze, należy go zablokować. System operacyjny gwarantuje, że po odblokowaniu zawartość obszaru nie będzie zniszczona, jednak nie gwarantuje, że po powtórnym zablokowaniu znajdować się będzie w tym samym miejscu pamięci. W związku z tym, adresy zmiennych zawartych w tym obszarze, po jego odblokowaniu tracą ważność. Obszary tej klasy wykorzystuje się na współdzielone dane i pewne mniej potrzebne zmienne dynamiczne. Discardable - Aby odwoływać się do adresów w tym obszarze, należy go zablokować. Po odblokowaniu obszaru może on zostać zniszczony. W związku z tym, adresy zmiennych zawartych w tym obszarze, po jego odblokowaniu tracą ważność. Obszary tej klasy wykorzystuje się na pewne mniej potrzebne zmienne dynamiczne. MS-Windows zapewnia dwa mechanizmy gospodarowania pamięcią: Konsolidacja. W przypadku gdy dla nowotworzonego procesu, lub procesu, który zarządał pamięci brak miejsca, odblokowane obszary klasy discardable są niszczone, a odblokowane obszary klasy movable przesuwane tak by utworzyć spójny obszar mogący zaspokoić żądanie. Wymiana. Jeżeli powyższe operacje nie pozwalają uzyskać spójnego obszaru pamięci odpowiedniej wielkości, jeden lub więcej z obszarów klasy fixed, lub zablokowanych obszarów klas movable i discardable należących do innych procesów trafia na dysk do pliku wymiany. Zmiana kontekstu (uzyskanie procesora przez inny proces) powoduje że obszary pamięci danego procesu umieszczone w pliku wymiany są sprowadzane do pamięci operacyjnej, a obszary należące do innych procesów, pokrywające się w pamięci operacyjnej z nimi są konsolidowane lub trafają do pliku wymiany. Jak widać na rysunku 3.2 pomimo zastosowania konsolidacji pamięci, jest ona wciąż pofragmentowana, choć największy spójny obszar znacząco wzrósł. Fragmentacja pamięci powoduje, że żądania przydziału pamięci, domagające się mniej pamięci niż jest w sumie wolne, ale więcej niż zawiera największy spójny obszar mogą nie zostać spełnione. Z pomocą przychodzi wymiana (mechanizm zapewniany przez system operacyjny) i nakładkowanie (mechanizm zapewniany przez programistę lub jego kompilator). Polegają one na czasowym usuwaniu pewnych obszarów pamięci na dysk do specjalnie utworzonego pliku wymiany. Mechanizmem nakładkowania nie będziemy się tu zajmować, jest on zbliżony do mechanizmu wymiany, a dotyczy głównie wymiany zestawów podprogramów. Wadą mechanizmu wymiany jest to, że pamięć jest usuwana na dysk wielkimi blokami, a w razie przełączenia kontekstu cała pamięć procesu musi być przeniesiona od razu z pliku wymiany do pamięci operacyjnej. Nie można również zarezerwować obszaru większego niż dostępna pamięć operacyjna. Mechanizm pamięci wirtualnej Zalety i wady Mechanizm pamięci wirtualnej nie posiada wad przedstawionych w poprzednim paragrafie. Jego cechy to: Powstanie prywatnych przestrzeni adresowych dla każdego procesu. Procesy nie widzą nawzajem swoich przestrzeni adresowych. Niewidoczny dla procesu podział pamięci na niewielkie (rzędu 1kB) obszary pamięci podlegające wymianie zwane stronami. Praktyczne nieistnienie problemu fragmentacji pamięci. Możliwośc przechowywania w pamięci operacyjnej w trakcie wykonywania procesu jedynie najczęściej ostatnio używanych stron. Długo niewykorzystywane strony trafiają na dysk do pliku wymiany. Przy przełączaniu kontekstu nie ma potrzeby ładować całej przestrzeni adresowej do pamięci operacyjnej, wystarczy strona z komórką zawierającą następną instrukcję programu, oraz strona z wierzchem stosu. Proces ma iluzję posiadania przez maszynę znacznie większej ilości pamięci operacyjnej niż ma ona w rzeczywistości, w szczególności można tworzyć zmienne o rozmiarze przekraczającym rozmiar pamięci operacyjnej. Możliwość poddania ochronie obszarów przestrzeni adresowej procesu, w szczególności obszarów systemowych, obszaru kodu i pamięci współdzielonej. Możliwość spójnego implementowania pamięci wirtualnej, pamięci współdzielonej, mapowania pliku na pamięć operacyjną i buforowania operacji dyskowych. Wadami mechanizmu pamięci wirtualnej są Narzut na pamięć związany z przechowywaniem dodatkowych struktur danych t.j. tablic stron. Narzut na wydajność i złożoność procesora związany z wyliczaniem adresów fizycznych z adresów wirtualnych. Narzut na wydajność systemu związany z koniecznością wczytania do procesora częsci tablicy stron nowego procesu przy przełączaniu kontekstu. Narzut na wydajność systemu związany z operacjami dyskowymi wymiany stron. Trzeba tu jednak zaznaczyć, że dobre algorytmy wymiany stron minimalizują ten narzut. Zasada działania Najistotniejszym elementem mechanzmu jest rozróżnienie między adresem logicznym a fizycznym komórki pamięci i sposób odwzorowania adresu logicznego na fizyczny. Adresem fizycznym komórki nazywamy adres, jaki wysyła na magistralę adresową procesor, aby odwołać się do tej komórki. Każda komórka pamięci operacyjnej ma swój niezmienny adres fizyczny. Każdy adres fizyczny odnosi się zawsze do tej samej komórki pamięci lub jest zawsze błędny. Adresem logicznym (lub wirtualnym) nazywamy adres jakim posługuje się program, aby odwołać się do zmiennej lub instrukcji. Adres logiczny może odnosić się zarówno do komórki pamięci operacyjnej jak i słowa maszynowego zapisanego na dysku. Przypisanie adresu logicznego do konkretnej komórki pamięci, czy konkretnego miejsca na dysku jest inne dla każdego procesu i może się zmieniać w trakcie jego życia. Pamięć operacyjna dzielona jest na ramki, to jest spójne obszary o stałym romiarze zwanym wielkością ramki. Przestrzeń adresów wirtualnych dzielona jest na strony, to jest spójne obszary o stałym rozmiarze zwnym wielkością strony. Wielkość strony równa się wielkości ramki i jest wielokrotnością rozmiaru sektora dyskowego. Wielkość strony jest rzędu 1kB, i tak, w systemie VMS wynosi ona 512B, w Linuksie - 1kB a w Windows NT - 4kB. Analogicznie do pamięci operacyjnej, można przyjąć, że plik wymiany dzieli się również na ramki. Strona pamięci wirtualnej może znajdować się w jednej z ramek pamięci operacyjnej, jednej z ramek pliku wymiany lub być stroną niezarezerwowaną (błędną). Odwzorowania stron pamięci wirtualnej w ramki pamięci operacyjnej lub ramki pliku wymiany dokonuje procesor za każdym razem, gdy oblicza adres fizyczny z adresu wirtualnego (celem pobrania instrukcji, lub odwołania się do zmiennej). Do odwzorowywania stron w ramki służą mu tablice stron wirtualnych.  Szczegóły tłumaczenia adresu logicznego na fizyczny w prypadku, gdy strona znajduje się w pewnej ramce pamięci operacyjnej ilustruje rys. 3.3. Adres logiczny składa się z dwóch cęści: numery strony i przesunięcia na stronie. Numer strony służy jako indeks do tablicy stron wirtualnych. W tablicy tej odnajdywana jaest pozycja odpowiadająca dnej stronie. Na podstawie atrybutów procesor ustala, czy strona znajduje się w pamięci operacyjnej i jeśli tak, pobiera numer ramki po czym łączy go z przesunięciem na stronie otrzymując adres fizyczny, który może być wysłany na magistralę adresową. Jeżeli atrybut dostępności strony wskazuje, że znajduje się ona w pamięci wymiany, następuje tzw. ``page fault'' - wyjątek pamięci wirtualnej. Procesor przerywa proces (wątek), który odwołał się do nieobecnej strony i przenosi go w stan uśpiony. Jednocześnie podejmowane są działania mające na celu sprowadzenie strony do pamięci t.j. wyszukiwana jest wolna ramka. Jeśli wolnej ramki brak, jedna z ramek zajętych zapisywana jest na dysk i zwalniana. Uzyskana ramka pamięci operacyjnej zapełniana jest zawartością przywracanej strony przechowywaną w pliku wymiany. Tablice stron mogą rezydować tak jak to pokazano na rysunku w specjalnych obszarach pamięci, które są znane procesorowi przez ich adres fizyczny (a nie logiczny) lub też mogą być częściowo przechowywane w podręcznej pamięci asocjacyjnej procesora. Wiele systemów operacyjnych dopuszcza by część tabeli stron mogła być przenoszona do pliku wymiany. Duża część mechanizmu pamięci wirtualnej musi być realizowana sprzętowo przez procesor. System operacyjny dochodzi do głosu gdy następuje page fault i trzeba sprowadzić stronę do pamięci, usuwając być może inną stronę oraz dokonać przełączenia kontekstu. Mechanizm ten może zatem działać jedynie w systemach operacyjnych działających na procesorach wspierających go, takich jak np. Intel i386 i nowsze procesory Intela, procesory Alpha, nowsze procesory Motorolli itd. Izolacja procesów i ochrona pamięci. Aby zapewnić każdemu procesowi prywatną przestrzeń adresową, dostaje on własną tablicę stron wirtualnych. W związku z tym tablica ta jest elementem kontekstu procesu. Przełączenie kontekstu wymaga wczytania do procesora tablicy stron nowego procesu (a przynajmniej jej części). Atrybutem strony może być uprawnienie procesu do posługiwania się tą stroną: Uprawnienie do odczytu i zapisu (read/wite). To uprawnienie otrzymują strony obszarów danych i stosu programu. Uprawnienie do odczytu (read only). To uprawnienie nadaje się m.in. stronom zawierającym kod programu. Można dzięki temu współdzielić te strony między procesami wykonującymi ten sam program bez obawy, że jeden proces zmodyfikuje kod programu i tym samym wpłynie katastrofalnie na przebieg działania drugiego procesu. Uprawnienie zabraniające wszelkich operacji (no access). Tym atrybutem oznacza się strony przechowujące kod i dane jądra systemu operacyjnego oraz strony nie zarezerwowane dotąd przez proces. Niektóre systemy operacyjne wyróżniają bardziej złożony system uprawnień np. copy on write i execute only, pod warunkiem, że procesor wspiera takie upranienia. Proces, diałając w trybie użytkownika, nie ma możliwości bezpośredniej zmiany zawartości tablicy stron. Może on zlecić systemowi operacyjnemu rezerwację nowych stron (np. na zmienne dynamiczne) lub zwolnienie tych które przestał używać. Odbywa się to przez wywołanie odpowiednich podprogramów jądra (działających w trybie jądra). Poprzedni | Spis treści | Następny  | Zadania Wszelkie uwagi i komentarze: [e-mail]