Односегментная модель
3.3. Односегментная модель
Нам неизвестны ОС, поддерживающие односегментную модель "в чистом виде", но ее рассмотрение облегчит понимание более сложных моделей.
Внешне (с точки зрения программиста) эта модель очень похожа на модель с фиксированными разделами: программа-процесс готовится в плоском виртуальном адресном пространстве. Процесс занимает непрерывное пространство виртуальной памяти, и в реальную память он также загружается в один непрерывный раздел (сегмент). Сегмент может начинаться с любого адреса реальной памяти и иметь любой раздел, не превышающий, однако, размера реальной памяти. Существенное отличие сегментной модели состоит в том, что она использует аппаратную динамическую трансляцию адресов. Загруженный в реальную память и выполняющийся процесс продолжает обращаться к памяти, используя виртуальные адреса, и лишь при каждом конкретном обращении виртуальный адрес аппаратно переводится в реальный. В вычислительной системе, поддерживающей односегментную модель, должен существовать регистр дескриптора сегмента, содержимое которого состоит из двух полей: начального (базового) адреса сегмента в реальной памяти и длины сегмента. Когда процесс размещается в памяти, для выделенного ему сегмента формируется дескриптор, который записывается в вектор состояния в контексте процесса. При переключении контекста дескриптор сегмента загружается в аппаратный регистр дескриптора сегмента и служит той "таблицей трансляции", по которой аппаратура переводит виртуальные адреса в реальные. Сама трансляция адресов происходит по простейшему алгоритму. Поскольку виртуальное адресное пространство процесса представляет собой линейную последовательность адресов, начинающуюся с 0, виртуальный адрес является простым смещением относительно начала сегмента. Реальный адрес получается сложением виртуального адреса с базовым адресом, выбранным из дескриптора сегмента, как показано на Рисунке 3.4. Единственный путь для выхода процесса за пределы своего виртуального адресного пространства - задание виртуального адреса, большего, чем размер сегмента. Этот путь легко может быть перекрыт, если аппаратура при трансляции адресов будет сравнивать виртуальный адрес с длиной сегмента и выполнять прерывание-ловушку, если виртуальный адрес больше.
Рисунок 3.4. Односегментная модель
То обстоятельство, что процесс работает в виртуальных адресах, делает возможным перемещение сегментов в реальной памяти. Переместив процесс в другую область реальной памяти, ОС просто изменяет поле базового адреса в дескрипторе его сегмента. Поскольку, как и в модели с фиксированными разделами, реальная память распределяется непрерывными блоками переменной длины, здесь применяются те же стратегии размещения. Но возможное здесь перемещение сегментов является эффективным способом борьбы с внешними дырами. Сегменты переписываются в реальной памяти таким образом, чтобы свободных мест между ними не оставалось, все свободное пространство сливается в один большой свободный блок и, таким образом, оказывается доступным для последующего распределения.
Другой возможностью, которую открывает динамическая трансляция адресов, является вытеснение сегментов. Если даже после перемещения сегментов запрос на память не может быть удовлетворен, то ОС может переписать какой-либо сегмент на внешнюю память и освободить занимаемую им реальную память. Поскольку контекст процесса, который содержится в вытесненном сегменте, сохраняется, то впоследствии ОС может вновь загрузить этот сегмент в реальную память, откорректировать базовый адрес в его дескрипторе и возобновить выполнение процесса. Перемещение сегментов и (см. ниже) страниц между оперативной и внешней памятью и наоборот называется свопингом (swapping), а составные его части - вытеснением (swap out) и подкачкой (swap in). Поскольку в модели происходит вытеснение сегментов, должна быть реализована какая-то его стратегия. Естественно, что наилучшим кандидатом на вытеснение должен быть сегмент процесса, находящегося в заблокированном состоянии. Но следует при этом иметь в виду, что процесс может быть заблокирован потому, что он ожидает завершения операции ввода/вывода. При вводе/выводе, использующем канал или прямой доступ к памяти, аппаратура ввода/вывода не выполняет трансляцию адресов (см. главу 6), а производит обмен данными с областью памяти, реальный адрес которой был задан ей при инициировании операции. Сегмент, участвующий в такой операции ввода/вывода, должен быть заблокирован не только от вытеснения, но и от перемещения в реальной памяти. (Эти же соображения должны учитываться и в других моделях памяти). При отсутствии подходящих кандидатов на вытеснение в очереди заблокированных процессов жертва может быть выбрана из очереди готовых процессов. Естественно назначить жертвой процесс, имеющий самый низкий приоритет у планировщика процессов. Но если брать этот приоритет единственным критерием, то имеется потенциальная опасность возникновения избыточных перемещений. Процесс, имеющий низкий приоритет, может быть несколько раз вытеснен и вновь подкачан, но между всеми подкачками и вытеснениями может так и не получить ни одного кванта обслуживания на центральном процессоре. В системах с динамическими приоритетами процесс (например, Unix), подкачанный в оперативную память защищается от вытеснения некоторой временной выдержкой, в течение которой он имеет шанс повысить свой приоритет и получить квант обслуживания. Также и вытесненный процесс должен быть некоторое время выдержан на внешней памяти прежде чем он может быть подкачан. В системах со статическими приоритетами приоритет процесса у планировщика определяет и его приоритет в очереди к ресурсу реальной памяти.
Процесс, работающий в односегментной модели, памяти имеет возможность динамически изменять размер своего виртуального адресного пространства. При выполнении такого запроса от процесса ОС просто изменяет поле длины в дескрипторе его сегмента, если в реальной памяти вслед за сегментом процесса имеется свободный участок достаточного размера. Если же такого участка нет, ОС может переместить процесс или заблокировать его в ожидании освобождения ресурса.
