Машинно-независимый Ассемблер RTL и Ассемблер Intel 80x86. Внешние устройства и прерывания. Виртуальная память и поддержка параллельных задач

Виртуальная память и поддержка параллельных задач

Все современные операционные системы поддерживают параллельное выполнение нескольких процессов на одном компьютере. Компьютер может иметь один или несколько процессоров, однако, даже в многопроцессорных системах количество выполняемых задач обычно превышает число процессоров. Поэтому современные процессоры обязательно реализуют механизм быстрого переключения с одной задачи на другую. Среди всех этих механизмов наиболее важным является поддержка виртуальной памяти.

Страничная организация памяти

Выполняемые параллельно на одном и том же компьютере различные задачи оперируют одними и теми же адресами памяти. Адрес памяти, который указывается в конкретной команде процессора, называется виртуальным. Для поддержки многозадачности операционная система должна отображать одни и те же виртуальные адреса у разных задач на различные физические адреса памяти.

Для отображения виртуальной памяти на физическую используется механизм страничной организации памяти. Вся физическая память делится на страницы, обычный размер страницы -- 4096 байтов (4 килобайта). Для каждой задачи выделяется специальная область памяти, в которой записаны адреса физических страниц, соответствующих виртуальным страницам. Адрес этой области содержится в специальном регистре процессора. Когда программа обращается к некоторому виртуальному адресу, то он делится на 4096, таким образом определяется номер виртуальной страницы. Затем адрес физической страницы, соответствующий данному номеру, извлекается из специальной области памяти, хранящей физические адреса виртуальных страниц. После этого к вычисленному таким образом адресу физической страницы прибавляется смещение внутри страницы, т.е. остаток от деления виртуального адреса на 4096 (на размер страницы).

Таким образом, разные задачи работают с одними и теми же виртуальными адресами, но с разными физическими адресами, не мешая друг другу.

Отметим еще один очень важный аспект виртуальной памяти. Объем физической памяти может быть меньше, чем объем виртуальной памяти. В этом случае используется механизм своппинга, т.е. вытеснения страниц физической памяти на диск. Считается, что объем пространства на диске компьютера практически бесконечен. Поэтому при нехватке физической памяти страницу виртуальной памяти можно разместить на диске. При обращении к этой странице операционная система сначала загружает ее с диска в физическую память. При этом, возможно, какая-то другая страница вытесняется на диск, чтобы освободить место. Отсюда и слово своппинг (swapping), что в переводе означает "обмен''. Загрузка виртуальной страницы с диска происходит в результате синхронного прерывания в связи с отсутствием физической страницы в памяти.

Своппинг может замедлить выполнение программы в миллионы раз, это крайне нежелательное явление. Следует писать программы так, чтобы им всегда хватало физической памяти.

Переключение между процессами и нитями

В многозадачной операционной системе процессор периодически переключается между различными задачами. В момент переключения выполнение текущей задачи приостанавливается, ее состояние сохраняется ядром операционной системы, и система переключается на выполнение другой задачи. Такие переключения происходят регулярно по прерываниям от таймера. Таймер -- это внешнее устройство, входящее в конструкцию любого компьютера. Таймер может быть реализован внутри микросхемы процессора или отдельно от нее. Продолжительность кванта времени, в котором не происходит переключение задач, обычно измеряется сотыми или тысячными долями секунды и зависит от операционной системы.

В современных операционных системах различают понятия процесса и нити (thread). В рамках одного процесса могут существовать несколько нитей. Все нити одного процесса разделяют одно и то же виртуальное адресное пространство, соответствующее статическим и глобальным переменным программы. Однако стек, стековая (локальная) память и наборы значений регистров у каждой нити свои.

Каждая нить выполняется по отдельности, поэтому нити иногда называют легковесными процессами (light-weight process). Переключение между нитями происходит аналогично переключению между процессами. Нити очень удобны в программировании, поскольку разные нити параллельно выполняют совместную работу над одними и теми же глобальными переменными, расположенными в статической памяти процесса. Это позволяет избежать сложных механизмов передачи данных между различными процессами, которые приходилось использовать в старых операционных системах до изобретения нитей. На использовании нитей основано, например, программирование графических задач в операционных системах типа Windows. Здесь одна нить отвечает за обработку действий пользователя и поддержку оконного интерфейса (нажатий на мышь, клавиатуру, перерисовку окон и т.п.). Другие нити могут выполнять вычислительную работу и сетевой обмен, поддерживать анимацию и т.п. Выполнять вычислительную работу внутри нити, отвечающей за графический интерфейс, нельзя, потому что длительные вычисления приводят к визуальному подвисанию программы и к замедленным реакциям на действия пользователя.

Для синхронизации нитей и процессов, а также исключения одновременного обращения к критическим данным операционная система предоставляет программисту специальные объекты синхронизации -- семафоры, критические секции, события, мьютексы и др. Идея заключается в том, что для каждого критического набора данных выделяется специальный объект, который может в любой момент времени принадлежать только одной нити. Так, на железных дорогах в старой Англии, когда существовал только один путь, используемый в обоих направлениях, поезд не мог выехать на этот путь, пока машинист не получал в свои руки специальное маркерное кольцо, соответствующее данному перегону. Это исключало встречное движение и столкновение поездов.

Для защиты критических данных используется объект синхронизации типа мьютекс, от англ. MUTual EXclusive -- взаимно исключающий. Нить перед обращением к критическим данным пытается захватить мьютекс, соответствующий этим данным. Если он уже захвачен, то операционная система приостанавливает нить до тех пор, пока объект не будет освобожден. После этого мьютекс передается нити, нить пробуждается и выполняет необходимые действия. По завершении критических действий нить сама должна освободить мьютекс, подобно тому как машинист поезда должен сам оставить маркерное кольцо на станции после проезда участка пути, ``защищенного'' этим кольцом.