Виртуальная память

Проблема замещения страниц

Для предотвращения переполнения памяти, подпрограмма обслуживания отказов страниц дополняется поддержкой замещения страниц.

Для сокращения времени передачи страниц используется бит модификации в таблице страниц: только модифицированные страницы откачиваются на диск.

Замещение страниц дополняет картину и стратегию разделения между виртуальной и физической памятью – большая виртуальная память может быть отображена на небольшую физическую память.

Пример замещения страниц приведен на рис. 18.6.

увеличить изображение
Рис. 18.6. Пример замещения страниц.

В примере имеются два пользовательских процесса, каждый из которых использует по 4 страницы виртуальной памяти. Однако имеется только 6 фреймов в основной памяти, выделенных для пользовательских процессов, (начальные фреймы занимает резидентный монитор ОС). В процессе 1 происходит обращение к данным M, расположенным на странице 3 виртуальной памяти, отсутствующей в основной памяти. В процессе 2 точно так же может произойти обращение к данным B на странице виртуальной памяти 1, которой также нет в основной памяти. Следовательно, ОС должна выполнить замещение страниц, т.е. решить две задачи:

• по какому принципу выбирать "жертвы", т.е. страницы для откачки, находящиеся в оперативной памяти, для освобождения необходимых фреймов?
• в каком порядке обслужить процессы 1 и 2, в каждом из которых возникла необходимость в свободном фрейме?

Кратко алгоритм замещения страниц можно сформулировать следующим образом:

1. Найти, где размещается требуемая страница на диске.
2. Найти свободный фрейм:
   • Если есть свободный фрейм, использовать его.
   • Если нет свободных фреймов, использовать алгоритм замещения страниц для выбора фрейма -"жертвы".
3. Прочитать содержимое требуемой страницы во вновь освобожденный фрейм. Модифицировать таблицы фреймов и страниц.
4. Продолжить выполнение процесса.

На рис. 18.7 иллюстрируется момент замещения страниц, с предварительной откачкой страницы-жертвы на диск.

увеличить изображение
Рис. 18.7. Замещение страниц с откачкой жертвы на диск.

Этапы замещения страниц: 1 – откачка жертвы; 2 – изменение ее элемента таблицы страниц (бит valid заменяется на invalid); 3 – подкачка на освободившееся место желаемой страницы; 4 – изменение элемента таблицы страниц для новой страницы (бит invalid заменяется на valid; запоминается физический адрес подкачанной страницы).

Алгоритмы замещения страниц

Как видно из рассмотренного выше, поиск оптимального алгоритма замещения страниц должен быть основан на следующем критерии: необходимо добиваться уменьшения коэффициента отказов страниц p.

Оценка алгоритма может быть выполнена путем опробования его на конкретной строке обращений к памяти (строке запросов) и определения числа отказов страниц при данной строке запросов.

Во всех приводимых ниже в данном разделе примерах из области страничной организации строка запросов имеет вид:

1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5.

График зависимости числа отказов страниц от числа фреймов в основной памяти изображен на рис. 18.8.

увеличить изображение
Рис. 18.8. Зависимость числа отказов страниц от числа фреймов.

В целом, как и подсказывает здравый смысл, зависимость обратно пропорциональная: чем больше имеется фреймов, тем меньше отказов страниц. Однако случаются и аномалии в этом законе, рассмотренные далее.

Алгоритм FIFO (First-In-First-Out).Наиболее простой алгоритм замещения страниц – в качестве жертвы всегда выбирается фрейм, первым из имеющихся считанный в основную память.

Рассмотрим пример использования данного алгоритма.

Пусть строка запросов имеет вид: 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5.

Случай 1: 3 фрейма (3 страницы могут быть одновременно в памяти для одного процесса). Пусть имеются три процесса. Их таблицы страниц примут вид:

(1, 2, 3) (4, 1, 2) (5, 3, 4).

В данном случае имеет место 9 отказов страниц (проверьте в качестве упражнения).

Случай 2: 4 фрейма. Пусть имеются по-прежнему три процесса. Таблицы страниц в данном случае будут иметь вид:

(1, 2, 3, 4) (5, 1, 2, 3) (4, 5)

Нетрудно проверить, что в данном случае имеет место 10 (!) отказов страниц, несмотря на то, что процесс может иметь больше свободных фреймов, чем в предыдущем случае.

Данная аномалия называется аномалией Belady.

В целом же, как уже говорилось, зависимость такова, что чем больше фреймов может иметь процесс (при достаточно большом числе фреймов), тем меньше отказов страниц.

Пример работы алгоритма FIFO для замещения страниц, при максимальном числе фреймов для процесса, равном 3, приведен на рис. 18.9.

Рис. 18.9. Пример работы алгоритма FIFO.

На рис. 18.10 изображен график зависимости числа отказов страниц от числа фреймов при алгоритме FIFO, отображающий аномалию Belady.

увеличить изображение
Рис. 18.10. Аномалия Belady при использовании алгоритма FIFO замещения страниц.