Виртуальная память

Алгоритмы со счетчиком

Идея, родственная идее алгоритма LRU, - хранить счетчики числа обращений к каждой странице. На основе этой идеи существуют два алгоритма:

• - Алгоритм Least Frequently Used (LFU):замещать страницы с минимальным значением счетчика (к которым было меньше всего обращений);
• - Алгоритм Most Frequently Used (MFU):замещать страницы с максимальным значением счетчика. Данный алгоритм основан на соображении, что страница с минимальным счетчиком – возможно, лишь недавно загружена, и, видимо, в дальнейшем будет активно использоваться, поэтому она оставляется в памяти.

Выделение фреймов

До сих пор мы рассматривали алгоритмы замещения страниц при определенном числе фреймов, выделенных каждому процессу. Рассмотрим теперь стратегии выделения фреймов. При их выделении ОС исходит из того, чтобы каждому процессу выделить минимально необходимое число страниц.

Однако различные аппаратные платформы имеют свои особенности, что тоже приходится учитывать. Например, в системе IBM 370 требуется 6 (!) страниц, чтобы обработать команду MOVE (пересылки) формата SS (Storage-Storage). В самом деле, длина команды - 6 байтов, так что она может размещается на двух соседних страницах. Кроме того, максимум две страницы требуются для обработки источника и максимум две страницы – для обработки получателя. Разумеется, подобный казус не может произойти в RISC-системах.

В операционных системах используются две основных схемы выделения фреймов - фиксированное выделение и выделение по приоритетам.

Фиксированное выделение фреймов.Наиболее простой вариант - равномерное распределение фреймов процессам. Например, если имеется 100 фреймов и 5 процессов, каждому выделяется по 20 страниц. Используется также пропорциональное распределение – выделять фреймы в соответствии со следующим принципом: если общее число фреймов m, размер процесса – s, а общий размер всех процессов – S, то общее число фреймов, выделенных процессу, равно:

a = m * (s / S).

Выделение по приоритетам.Принцип данного распределения фреймов следующий: применять схему пропорционального распределения, но используя приоритеты, а не размер. Если процесс генерирует отказ страницы, то для замещения выделяется фрейм из процесса с более низким приоритетом.

Глобальное и локальное распределение. Глобальное замещение фреймов означает, что процесс выбирает фрейм для замещения среди всех существующих фреймов всех процессов, т.е. один процесс может взять фрейм у другого. Локальное замещение фреймов, наоборот, гарантирует, что каждый процесс выбирает фрейм для замещения только из числа выделенных ему фреймов.

Thrashing

Данный термин буквально означает метание, тряска.Если процессу не выделено достаточное число страниц, коэффициент отказов страниц очень высок. Это приводит к тому, что процесс занят в основном откачкой и подкачкой страниц. При этом ОС может сделать неверное заключение о низкой производительности использования процессора и, следовательно ... принять решение об увеличении степени мультипрограммирования, т.е. о добавлении нового процесса к системе.

Неформально, thrashing означает катастрофическую нехватку фреймов в основной памяти. На практике для пользователя это выглядит следующим образом (автор сам неоднократно испытывал подобные ощущения, вынужденный работать на SPARC-станции с очень малым объемом памяти): жесткий диск буквально "надрывается" от непрерывных обращений, а процесс исполняется крайне медленно. Интересно отметить, что SPARC-станция с 32 мегабайтами памяти и ОС Solaris успешно выдерживали эти экстремальные нагрузки (причем на данной конфигурации пропускалась достаточно большая Java-программа). Это говорит о высокой надежности системы Solaris.

Другой реальный пример – использование ОС Windows XP (Service Pack 3) на компьютере с 512 мегабайтами памяти. При этом возникает почти такое же ощущение - сначала кажется, что неисправен жесткий диск, но затем сразу осознаешь, что все дело в нехватке памяти: самые простые программы, такие как Internet Explorer, Windows Explorer и др., будучи вызванными одновременно (что является обычной практикой) переполняют основную память и вынуждают операционную систему при любом дополнительном действии пользователя (даже при простом передвижении полосы прокрутки по именам файлов в Windows Explorer) непрерывной откачкой и подкачкой.

На рис. 18.15 приведен график зависимости использования процессора от коэффициента мультипрограммирования. При очень большом числе обрабатываемых процессов полезность использования процессора резко падает из-за постоянных откачек и подкачек. Это и есть thrashing.

увеличить изображение
Рис. 18.15.

Модель рабочего множества

Если более глубоко проанализировать ситуацию с thrashing, то возникает вопрос, с какой целью используется страничная организация. При использовании локальной модели распределения фреймов, процесс мигрирует от одной локальной модели к другой. Однако локальные модели различных процессов могут пересекаться.

Выражаясь более простым языком, thrashing происходит, если сумма размеров локальных потребностей процессов в основной памяти больше общего размера памяти.

Для борьбы с подобными явлениями в операционных системах для распределения фреймов используется модель рабочего множества. Обозначим через (рабочее множество) фиксированное число обращений к страницам.

Рассмотрим WSS_i (рабочее множество процесса Pi ) - общее число обращений к страницам в самой недавней (меняется в зависимости от времени).

Если очень мало, не рассматриваем полную локальную потребность.

Если слишком велико, рассматриваем несколько локальных потребностей.

Если , рассматриваем всю программу.

Вычислим величину - общий объем требований фреймов всех процессов. Пусть m – размер основной памяти.

Если D > m то Thrashing ( m - общий размер памяти).

Политика ОС по борьбе с thrashing’ом заключается в том, чтобы, если D > m, приостановить один из процессов.

Пример использования рабочего множества и вычисления WSS_i приведен на рис. 18.16.

увеличить изображение
Рис. 18.16. Пример использования рабочего множества.

Страничная организация по требованию в Windows NT

ОС Windows NT использует страничную организацию "по требованию" и кластеризацию, т.е. подкачку страниц, смежных с затребованной. Процессам выделяются минимальное и максимальное рабочие множества. Минимальное рабочее множество – это набор страниц, которые процесс гарантированно имеет в памяти. Процесс может иметь в памяти число страниц до максимума рабочего множества. Если объем свободной памяти в системе становится меньше некоторого порогового значения (threshold), то ОС выполняет сокращение рабочих множеств процессов (working set trimming).Сокращение рабочих множеств – это изъятие у процессов "лишних" страниц в оперативной памяти, которые превышают минимальный размер их рабочих множеств.