Управление памятью

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

Управление памятью, наряду с управлением процессами и ресурсами, - одна из наиболее важных функций операционной системы. Задача ОС заключается в том, чтобы размещать в памяти пользовательские процессы, их данные, обслуживать запросы процессов на области памяти заданных размеров. В данной лекции рассмотрены базовые понятия и механизмы, связанные с управлением памятью, в частности, этапы загрузки программ в память и их связывание с адресами в памяти. Две основные стратегии управления памятью – страничная организация и сегментная организация – рассмотрены в следующих двух лекциях "Страничная организация памяти" и "Сегментная организация памяти" .

Основные положения размещения процессов в памяти

Любая программа, введенная в систему, должна быть размещена в памяти и оформлена в виде процесса для ее выполнения. Каждая программа при вводе в систему помещается во входную очередь – совокупность процессов на диске, ожидающих размещения в памяти для выполнения своих программ. До своего выполнения пользовательские программы проходят в системе несколько стадий.

Связывание программ и данных с адресами в памяти

Перед загрузкой данных или кода в память они должны быть в какой-либо момент связаны с определенными адресами в памяти. Связывание может выполняться на разных этапах:

• Связывание во время компиляции (compile-time).Если адрес в памяти априорно известен, компилятором может быть сгенерирован код с абсолютными адресами. При любом изменении размещения программы в памяти должна быть выполнена перекомпиляция. Данный подход более характерен для ранних компьютерных систем с небольшим объемом памяти, либо для обработки и выполнения системных модулей – частей ядра ОС, для которых характерно использование резидентных абсолютных адресов. Для пользовательских программ такой подход неудобен, так как не обеспечивает достаточной гибкости, в частности, возможности без изменений перезагрузить код в другую область памяти.
• Связывание во время загрузки (load-time).Загрузка программы в память – стадия ее обработки системой, предшествующая выполнению программы. Чтобы начальный адрес области памяти, куда загружается программа, можно было менять, и это не привело бы к необходимости изменения кода программы, применяется следующий метод. Генерируется перемещаемый код (relocatable code) – код, в котором адресация происходит относительно значения регистра перемещения (relocation register),и адрес в памяти равен сумме значения регистра перемещения и адреса, вычисляемого в команде. Таким образом, при необходимости загрузки кода на другое место в памяти требуется изменить только значение регистра перемещения. Подобный подход широко используется для программ, написанных на традиционных языках программирования.
• Связывание во время исполнения (runtime),или динамическое (позднее) связывание.Используется, если процесс во время выполнения может быть перемещен из одного сегмента памяти в другой. Для реализации связывания во время исполнения требуется аппаратная поддержка отображения адресов – например, регистры базы и границы. В большинстве систем для пользовательских программ используется, главным образом, именно связывание во время исполнения.

Многоэтапная обработка пользовательской программы

Чтобы лучше представлять себе все детали адресации и размещения программы в памяти, рассмотрим общую схему многоэтапной обработки пользовательской программы, используемую в любой ОС. Схема представлена на рис. 15.1.

увеличить изображение
Рис. 15.1. Многоэтапная обработка пользовательской программы.

Исходный код программы (в форме текстового файла) на языке высокого уровня или на ассемблере преобразуется компилятором или ассемблером в объектный модуль, содержащий бинарные выполняемые машинные команды и таблицу символов, определенных и использованных в данном модуле кода. Рассмотренная фаза называется временем компиляции.

Однако объектный модуль не может непосредственно исполняться, так как он содержит неразрешенные ссылки на внешние модули и их компоненты. Следующая фаза обработки программы – редактирование связей. Редактор связей (linker) – системная программа, которая получает на вход один или несколько объектных модулей, а на выходе выдает загрузочный модуль – двоичный код, образованный кодом нескольких объектных модулей, в котором разрешены все межмодульные ссылки - для каждого символа, внешнего для данного объектного модуля A, найден соответствующий символ (процедуры, переменной и т.д.) из другого модуля B, на который ссылается модуль A, и код соответственно откорректирован, т.е. он правильно адресует внешний символ.

Загрузочный модуль может быть загружен в память для исполнения с помощью еще одной системной программы – загрузчика (loader),который получает на вход загрузочный модуль и файлы с бинарными кодами системных библиотек,которые использует программа. Загрузчик, объединяя код программы с кодами системных библиотек, создает бинарный образ программы в памяти.

Фаза вызова редактора связей и загрузчика носит общее название время загрузки. Во многих ОС функции редактора связей и загрузчика, с целью экономии времени обработки программы в системе, объединены в одной системной программе – редакторе связей и загрузчике (linker and loader).Например, в системе UNIX редактор связей и загрузчик называется ld (Linker and loaDer).Объединенному загрузчику и редактору связей на вход передается список объектных модулей и список библиотек, и в результате он генерирует исполняемый код. Фаза редактирования связей и загрузки часто на программистском слэнге называется линковкой (linking).Будем далее использовать именно этот короткий и выразительный термин.

Вот пример последовательности фаз обработки программы в терминах команд системы UNIX:

сс –c program.c // Компиляция исходного кода на Си. 
// В рабочей директории – объектный модуль program.o
ld program.o mylibrary.a // редактирование связей и загрузка
// В рабочей директории – исполняемый код с именем по умолчанию a.out
a.out // Исполнение программы
// В стандартный вывод (по умолчанию – на консоль) 
// выдаются результаты программы

В примере предполагается, что в файле program.c хранится исходный код программы на Си, которая использует библиотечные функции из библиотеки mylibrary.a. Отметим соглашения в системе UNIX о расширениях имен файлов: .c – исходный код на Си, .o – объектный модуль, .a – бинарный файл статически линкуемой библиотеки (аббревиатура от термина archive ). Исполняемый код (executable) в UNIX не имеет стандартного расширения имени, но имеет полное имя по умолчанию – несколько архаичное имя a.out (аббревиатура от asembler output ).

В Windows соглашения о расширениях имен файлов несколько иные: .obj – объектный модуль, .exe – исполняемый код, .lib – статически линкуемая библиотека.

Отличить объектный модуль от загрузочного очень просто: они сильно отличаются по своему размеру. Объясняется это тем, что в загрузочном модуле присутствует полностью или частично код статически линкуемых библиотек, а также гораздо больше, чем у объектного модуля, таблица символов – она содержит все символы библиотек и других объектных модулей, слинкованных в единую исполняемую программу.

На этапе выполнения, при первом обращении к ним из программы, в память загружаются динамически линкуемые библиотеки (dymanically linked libraries).Данная разновидность библиотек, реализованная во всех современных ОС, позволяет сэкономить память, занимаемую образом исполняемого кода, который при статической линковке с библиотеками оказывается очень велик. Подробнее об этом – позже в данной лекции.

Логическое и физическое адресное пространство

Концепция логического адресного пространства, связанного с соответствующим физическим адресным пространством, является одной из основных для управления памятью.

Логическим адресом называется адрес, генерируемый процессором при выполнении машинной команды.

Физический адрес – это реальный адрес в памяти, который "видит" и "понимает" устройство управления памятью (Memory Management Unit – MMU).

Логические адреса совпадают с физическими при связывании адресов во время компиляции или во время загрузки (т.е. до исполнения программы). Однако при связывании адресов во время выполнения логические адреса отличаются от физических. Далее рассмотрим этот вопрос подробнее.

Устройство управления памятью

Как уже отмечалось во вводной лекции, устройство управления памятью ( Memory Management Unit – MMU ) – это один из модулей аппаратуры, отвечающий за адресацию памяти и связанный с процессором и другими устройствами системной шиной. С точки зрения поддержки описанных концепций адресации, устройство управления памятью – это аппаратура, преобразующая логический адрес (полученный по общей шине от процессора) в физический (реальный адрес в памяти, по которому и происходит обращение).

Аппаратура MMU использует значение регистра перемещения, содержащего адрес начала области памяти, выделенной ОС для программы пользователя. MMU добавляет значение регистра перемещения к (логическому) адресу, сгенерированному пользовательской программой, получая в результате физический адрес.

Программа пользователя работает только с логическими адресами и не "видит" физических адресов.

Схема адресации и преобразования логического адреса в физический с использованием регистра перемещения изображена на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Адресация с использованием регистра перемещения.