Virtuálna pamäť: Rozdiel medzi revíziami

1.# Jednou z možností je nechať rozhodnutie o druhu použitej pamäte pre konkrétnu informáciu a proces manipulácie s ňou priamo na samotnú aplikáciu. Nevýhodou tohto prístupu je že programátor aplikácie musí stráviť čas a úsilie na návrh, implementáciu a odstráňovanie chýb správy pamäte namiesto toho, aby sa sa zameriaval na vlastnú aplikáciu, čo veľmi znižuje efektivitu jeho práce. Taktiež môže dochádzať ku konfliktom programov, ktoré chcú používať fyzickú pamäť v rovnakom čase.

2.# Inou možnosťou je nepracovať s dátami priamo vo forme smerníkov, ale prideliť im istú formu handlerov a nechať operačný systém swapovať dáta združené s týmito handlermi medzi odkladacou oblasťou a fyzickou pamäťou. Problémom je, že tento postup komplikuje aplikačný kód a vyžaduje isté formy správania od aplikácie – dáta je potrebné uzamknúť do fyzickej pamäte, aby sa snimi mohlo pracovať, pričom sa obchádzajú jazykové jazykové knižnice, ktoré robia vlastné pridelovanie pamäte vo forme veľkých blokov, čo urýchluje beh systému. Príkladom takéhoto druhu uporiadania je 16 bitova verzia operačného systému Windowsu.

3.Modené# Moderné riešenie je v použití virtuálnej pamäte, v ktorej kombinácia špeciálneho harwaruhardvéru a operačného systému dovoľuje použiť oba druhy pamäte tak, že vytvárajú dojem väčšej fyzickej pamäte. Pre programy sa táto pamäť javí spločne ako jedna súčasť. Teoreticky poskytuje schopnosť napodobniť hlavnú pamäť ľubovolnej veľkosti, v praxi je hranica veľkosti limitovaná adresným priestorom (pre 32 bitové operačné systémy 4 GB, pre 64 bitové operačné systémy to môže byť oveľa viac).

Ku správnej implementácii virtuálnej pamäte je potrebné zabezpečiť mapovanie (prepojenie) virtuálnej pamäte k fyzickej pamäti, a to tak, aby bolo možné rozpoznať, ktoré dáta patria do fyzickej pamäte, aby ich bolo možné rozlíšiť a swapovať. Operačný systém ukladá adresnú prekladaciu tabuľku, mapovanú z virtuálnych čísiel stránok na fyzickú, v dátovej štruktúre znamejznámej ako stránková tabuľka. Vo väčšine počítačov, sú tieto prekladacie tabuľky uložené vo fyzickej pamäti.

V stránke najnižšie poradie bitov virtuálnej adresy je zachované a užívané priamo ako najnižšie poradie bitov aktuálnej fyzickej adresy. NajvyžšieNajvyššie poradie bitov je považované za kľúče jednej alebo viacerých adries prekladacej tabuľky, ktoré poskytujú vysoké poradie bitov aktuálnej fyzickej adresy. Pre tento dôvod rozsah za sebou idúcich adries vo virtuálnom adresnom priestore, bude prekladaný v odpovedajúcom rozsahu súvisejúcichsúvisiacich fyzických adries. Pamäť zodpovedajúca takémuto rozsahu je nazývaná stránka. Veľkosť stránky je obyčajne v rozsahu 512b až 8192 b (v súčastnsti je často bpoužívaná veľkosť 4kB), aj keď na špeciálne účely môžu byť použité aj 4MB alebo i väčšie stránky.

Pre rozlíšnierozlíšenie, ktoré stránky sa nachádzajú v pamäti sa používa systém validačného bitu. Keď je nastavený do stavu platná, znamená to, že stránka je uložená v pamäti. V opačnom prípade je stránka buď neplatná (nepatrí do adresného priestoru procesu) alebo nie je v pamäti. Položka v tabuľke stránok pre stránku, ktorá je v pamäti je nastavená ako obyčajne, ale položka stránky, ktorá nie je v pamäti, je označená ako neplatná, alebo obsahuje adresu stránky na disku.

Ak sa proces obráti na stránku, ktorá nie je v pamäti a je označená ako neplatná, spôsbíspôsobí výpadogvýpadok stránky – page fault. Prerušenie spôsobí presunutie požadovanej stránky do pamäte v nasledovných krokoch:

HardwareovéHardvérové prostriedky, ktoré sú potrebné pre realizáciu stránkovania na žiadosť sú:

Pri zvýšenom počte procesov, ktoré sú naraz spustené môže nastať situácia, keď niektorý z procesov požaduje zavedenie stránky z odkaladaciehoodkladacieho priestoru do pamäte, ale v pamäti nie je žiadny volný rámec. Táto situácia sa zvyčajne rieši metódou nahradzovania stránok. Myšlienkou je, že v prípade, že v pamäti nie je volný žiadny rámec, nájdeme rámec, ktorý sa momentálne nevyužíva, jeho obsah zapíšeme do odkladacieho priestoru a nahradíme ho načítanou stránkou. Týmto sa však zvyšuje počet prenosov stránok, čo znižuje efektivitu činnosti celého systému. Zlepšenie prináša využitie tzv. bitu modifikácie, ktorý sa nastavuje ak sa na stránku v pamäti zapisuje. V prípade, že nahradzujeme stránku, ktorá nemá nastavený bit modifikácie, nie je potrebné ju zapisovať na disk, čím sa ušetrí jeden diskový prenos. Je však potrebné riešiť problémy výberu algoritmov pre pridelovanieprideľovanie volnýchvoľných rámcov a nahradzovanie stránok.

Dôležitým problémom je volbavoľba algoritmu, ktorým sa bude vyberať stránka, ktorá sa má nahradiť. Existuje viacero algoritmov, ktoré je možné použiť: Algoritmus FIFO, Optimálny algoritmus, Algoritmus LRU.

Algoritmus FIFO pridelujeprideľuje každej stránke čas jej príchodu do pamäte (FIFO fronta v pamäti, nie je potrebný presný čas). Pre nahradenie sa vyberá stránka, ktorá je najdlhšie v pamäti. Algoritmus je jednoduchý, no nie veľmi dobrý, prtože rovnako ako môže nahradiť stránku, ktorá sa dlho nepoužíva, môže nahradiť aj často používanú stránku, čo spôsobí čoskoro ďalší výpadok stránky.

Algoritmus LRU je aproximáciou optimálneho algoritmu, kde blízku budúcnosť nahradzujeme nedávnou minulosťou. Ku každej stránke je pridelený čas jej posledného použitia. Keď sa nahradzuje stránka, vyberá sa taká, ktorá najdlhšie nebola používaná. Používajú sa dve implementácie tohto algoritmu: počítadlami alebo zásobníkom. (možno doplniť podrobnosti ak bude treba)

Prideľovanie rámcov je taktika, ktorá určuje, koľko rámcov bude pridelených ktorému procesu. Obyčajne čím menej rámcov vlastní proces, tým viac výpadkov stránok vyvoláva, čo spomaľuje chod systému. Minimálny počet rámcov, ktoré majú byť pridelené procesu, vyplýva z maximálneho počtu rámcov, na ktoré sa je možné pri vyvolaní jednej inštrukcie odvolať. Ako algoritmy sa používajú algoritmus spravodlivého rozdelenia medzi procesy a algoritmus proporcionálneho pridelovaniaprideľovania.

V prípade spravodlivého rozdelovania rámcov medzi procesy sa počet pre m rámcov a n procesov určuje zaokrúhlením výrazu m/n. Toto rozdelenie neberie do úvahy veľkosť procesu, čo možemôže viestviesť ku plytvaniu pri malých procesoch a nedostatku pri veľkých procesoch.

Dôležitým faktorom je tiež rozhodnutie, či pri nahradzovaní stránky sa táto stránka vyberá lokálne aloboalebo globálenglobálne, to znamená, či sa vyberá len spomedzi rámcov pridelených procesu alebo spomedzi všetkých rámcov v pamäti. Od toho aj závisí, čisači sa počet rámcov pridelených procesu môže dynamicky meniť.

Je ale tiež možné, virtuálna stránka bola označená za nedostupnú z dôvodu, že stŕankastránka nebola pridelená. V takýchto prípadoch je stránka fyzickej pamäti alokovaná a naplnená nulami, tabulkatabuľka stránok je modifikovaná na jej popis, a program je reštartovaný ako v predošlom prípade.

Linuxový kernel rozdeľuje 4GB virtuálneho adresného priestoru procesu na dve časti – 3GB a 1GB. Nižšie 3GB virtuálneho adresného priestoru procesu sú pristúpneprístupné ako užívateľský priestor (user-space), vyšší 1GB je rezervovaný pre virtuálne adresovanie kernelom a užívateľský proces tam zvyčajne nepristupuje. Virtuálna oblasť kernelu (3-4GB adresného priestoru) sú mapované na 1GB fyzickej pamäte. Zvyšné 3GB adresovateľnej fyzickej pamäte sú dostupné pre procesy.