Страничное замещение основной памяти и swapping

Как мы упоминали ранее, в ОС UNIX используется некоторый облегченный вариант алгоритма подкачки, основанный на использовании понятия рабочего набора. Основная идея заключается в оценке рабочего набора процесса на основе использования аппаратно (а в некоторых реализациях - программно) устанавливаемых признаков обращения к страницам основной памяти.

Периодически для каждого процесса производятся следующие действия. Просматриваются таблицы отображения всех сегментов виртуальной памяти этого процесса. Если элемент таблицы отображения содержит ссылку на описатель физической страницы, то анализируется признак обращения. Если признак установлен, то страница считается входящей в рабочий набор данного процесса, и сбрасывается в нуль счетчик старения данной страницы. Если признак не установлен, то к счетчику старения добавляется единица, а страница приобретает статус кандидата на выход из рабочего набора процесса. Если при этом значение счетчика достигает некоторого (различающегося в разных реализациях) критического значения, страница считается вышедшей из рабочего набора процесса, и ее описатель заносится в список страниц, которые можно откачать (если это требуется) во внешнюю память. По ходу просмотра элементов таблиц отображения в каждом из них признак обращения гасится.

Откачку страниц, не входящих в рабочие наборы процессов, производит специальный системный процесс-stealer. Он начинает работать, когда количество страниц в списке свободных страниц достигает установленного нижнего порога. Функцией этого процесса является анализ необходимости откачки страницы (на основе признака изменения) и запись копии страницы (если это требуется) в соответствующую область внешней памяти (т.е. либо в системную область подкачки - swapping space для анонимных страниц, либо в некоторый блок файловой системы для страницы, входящей в сегмент отображаемого файла).

Очевидно, рабочий набор любого процесса может изменяться во время его выполнения. Другими словами, возможна ситуация, когда процесс обращается к виртуальной странице, отсутствующей в основной памяти. В этом случае, как обычно, возникает аппаратное прерывание, в результате которого начинает работать операционная система. Дальнейший ход событий зависит от обстоятельств. Если список описателей свободных страниц не пуст, то из него выбирается некоторый описатель, и соответствующая страница подключается к виртуальной памяти процесса (конечно, после считывания из внешней памяти содержимого копии этой страницы, если это требуется).

Но если возникает требование страницы в условиях, когда список описателей свободных страниц пуст, то начинает работать механизм своппинга. Основной повод для применения другого механизма состоит в том, что простое отнятие страницы у любого процесса (включая тот, который затребовал бы страницу) потенциально вело бы к ситуации thrashing, поскольку разрушало бы рабочий набор некоторого процесса). Любой процесс, затребовавший страницу не из своего текущего рабочего набора, становится кандидатом на своппинг. Ему больше не предоставляются ресурсы процессора, и описатель процесса ставится в очередь к системному процессу-swapper. Конечно, в этой очереди может находиться несколько процессов. Процесс-swapper по очереди осуществляет полный своппинг этих процессов (т.е. откачку всех страниц их виртуальной памяти, которые присутствуют в основной памяти), помещая соответствующие описатели физических страниц в список свободных страниц, до тех пор, пока количество страниц в этом списке не достигнет установленного в системе верхнего предела. После завершения полного своппинга каждого процесса одному из процессов из очереди к процессу-swapper дается возможность попытаться продолжить свое выполнение (в расчете на то, что свободной памяти уже может быть достаточно).

Заметим, что мы описали наиболее сложный алгоритм, когда бы то ни было использовавшийся в ОС UNIX. В последней "фактически стандартной" версии ОС UNIX (System V Release 4) используется более упрощенный алгоритм. Это глобальный алгоритм, в котором вероятность thrashing погашается за счет своппинга. Используемый алгоритм называется NRU (Not Recently Used) или clock. Смысл алгоритма состоит в том, что процесс-stealer периодически очищает признаки обращения всех страниц основной памяти, входящих в виртуальную память процессов (отсюда название "clock"). Если возникает потребность в откачке (т.е. достигнут нижний предел размера списка описателей свободных страниц), то stealer выбирает в качестве кандидатов на откачку прежде всего те страницы, к которым не было обращений по записи после последней "очистки" и у которых нет признака модификации (т.е. те, которые можно дешевле освободить). Во вторую очередь выбираются страницы, которые действительно нужно откачивать. Параллельно с этим работает описанный выше алгоритм своппинга, т.е. если возникает требование страницы, а свободных страниц нет, то соответствующий процесс становится кандидатом на своппинг.

В заключение затронем еще одну важную тему, непосредственно связанную с управлением виртуальной памятью - копирование страниц при попытке записи (copy on write). При выполнении системного вызова fork() ОС UNIX образует процесс-потомок, являющийся полной копией своего предка. Тем не менее, у потомка своя собственная виртуальная память, и те сегменты, которые должны быть его частными сегментами, в принципе должны были бы полностью скопироваться. Однако, несмотря на то, что частные сегменты допускают доступ и по чтению, и по записи, ОС не знает, будет ли предок или потомок реально производить запись в каждую страницу таких сегментов. Поэтому было бы неразумно производить полное копирование частных сегментов во время выполнения системного вызова fork().

Поэтому в таких случаях используется техника копирования страниц при попытке записи. Несмотря на то, что в сегмент запись разрешена, для каждой его страницы устанавливается блокировка записи. Тем самым, во время попытки выполнения записи возникает прерывание, и ОС на основе анализа статуса соответствующего сегмента принимает решение о выделении новой страницы, копировании на нее содержимого оригинальной страницы и о включении этой новой страницы на место старой в виртуальную память либо процесса-предка, либо процесса-потомка (в зависимости от того, кто из них пытался писать).

9.1. Концепции Windows NT. Архитектура ядра NT, защищенные подсистемы (Win 32, Win 16, DOS, OS/2, POSIX).

Архитектура ядра Windows NT 5.0

NT задумывалась как распределенная, клиент-серверная ОС, поддерживающая симметричные многопроцессорные аппаратные платформы. Да, были добавлены новые операционные и сетевые возможности, однако, ядро не было

переписано, а лишь расширено

Архитектура системы

На рис. 1 приведена общая архитектура Windows NT и ее компонентов.

Элементы над разделительной линией представляют собой процессы пользовательского режима, а под ней располагаются процессы операционной системы, выполняемые ядром. Потоки пользовательского

режима выполняются в защищенном адресном пространстве. Однако, во время их выполнения в

режиме ядра, они получают доступ к системному пространству. Таким образом, системные

процессы, процессы сервера (службы), подсистема среды или пользовательское приложение имеют свое собственное адресное пространство.

Режим ядра

Важные для производительности операционной системы компоненты выполняются в режиме ядра, где они взаимодействуют с оборудованием и друг с другом без использования переключателей контекста и смены режимов. Например, менеджер памяти, менеджер кэш-памяти, менеджер объектов, менеджер системы безопасности, сетевые протоколы, файловые системы, управление потоками и процессами работают в режиме ядра. Все эти компоненты полностью защищены от выполняемых приложений, которые не имеют прямого доступа к коду и данным из привилегированной части операционной системы. Компоненты режима ядра Windows NT спроектированы на основе принципов построения объектно-ориентированных систем. Например, они не работают напрямую со структурами данных, поддерживаемых индивидуальными компонентами. Вместо этого для передачи параметров, доступа и/или модификации структур данных они используют формальный интерфейс. Вместе с тем, несмотря на повсеместное использование объектов для представления разделяемых системных ресурсов, Windows NT не является объектно-ориентированной системой в точном смысле этого понятия, поскольку основная часть кода системы написана на Си из соображений обеспечения высокой скорости выполнения и переносимости.

В режиме ядра выполняются следующие компоненты ОС:

• исполняемая часть NT которая включает управление памятью, процессами, потоками, безопасностью, вводом/выводом, межпроцессорными обменами;

• ядро Windows NT выполняет низкоуровневые функции операционной системы: диспетчеризация потоков, прерываний и исключений, синхронизация процессоров. Ядро также включает набор процедур и базовых объектов, используемый исполняемой частью для

создания высокоуровневых конструкций;

• слой абстракции от оборудования (HAL - Hardware Abstraction Layer), изолирует ядро, драйверы устройств и исполняемую часть NT от аппаратных платформ, на которых должна работать операционная система;

• драйверы устройств включают как файловую систему, так и аппаратные драйверы, которые транслируют пользовательские вызовы функций ввода/вывода в запросы физических устройств ввода/вывода;

• функции графического интерфейса пользователя работают с окнами, элементами управления и рисунками.

Исполняемая часть

Исполняемая часть Windows NT - верхний слой программы - ядра NTOSKRNL.EXE. (Само ядро - это нижний слой). Исполняемая часть содержит следующие компоненты.

• Менеджер процессов и потоков управляет процессами и потоками. Фактически потоки и процессы поддерживаются в NT нижележащим слоем. Исполняемая часть добавляет дополнительную семантику и функции к этим объектам нижнего уровня.

• Менеджер виртуальной памяти использует схему управления, при которой каждый процесс получает собственное достаточно большое адресное пространство, защищенное от воздействия других процессов. Менеджер памяти также обеспечивает низкоуровневую поддержку для менеджера кэш-памяти.

• Монитор безопасности проводит политику обеспечения мер безопасности на локальном компьютере, охраняя системные ресурсы и выполняя процедуры аудита и защиты объектов.

• Система ввода/вывода использует независимый от устройств ввод/вывод и отвечает за пересылку данных соответствующим драйверам для дальнейшей обработки.

• Менеджер кэш-памяти улучшает производительность системы ввода/вывода файлов, размещая читаемые с диска данные в основной памяти для ускорения доступа к ним, а также откладывая на короткое время запись измененных данных на диск.

Кроме того, исполняемая часть включает четыре главных группы функций, используемых только что перечисленными компонентами.

• Менеджер объектов, который создает, удаляет объекты и абстрактные типы данных, а также управляет ими. Объекты используются в Windows NT для представления таких ресурсов операционной системы, как процессы, потоки и объекты синхронизации.

• Процедуры распределения памяти, взаимообмен между процессами через память, два специальных типа объектов синхронизации - ресурсы и объекты fast mutex.

Ядро

Ядро NTOSKRNL.EXE выполняет большинство основных операций NT, определяющих порядок использования процессора: диспетчеризация потоков; диспетчеризация и обработка исключений; синхронизация работы процессоров; обеспечение базовых объектов ядра, которые используются исполняемой частью (и в некоторых случаях экспортируются в режим пользователя).

В отличие от остальной исполняемой части операционной системы, ядро никогда не выгружается из оперативной памяти, его выполнение никогда не прерывается другими потоками. Код ядра написан в основном на Си, а части, дающие наибольшую нагрузку на процессор, на языке Ассемблере.

Объекты ядра. Одна из функций ядра - обеспечение низкоуровневой базы для хорошо определенных примитивов операционной системы, которые обеспечивают работу компонентов высшего уровня. Ядро изолирует само себя от остальной части ОС, что позволяет вынести принятие политических решений из ядра, за исключением диспетчеризации потоков. Ядро использует набор простейших объектов, называемых объектами ядра, позволяющих управлять работой центрального процессора и порядком создания вычисляемых объектов. Большинство вычисляемых объектов включает в себя один или более объектов ядра, включая определенные ядром атрибуты. Один из наборов объектов называется объектами управления и включает объект процесса ядра, объект АРС, объект процедуры отложенного вызова DPC (Deferred Procedure Call) и несколько объектов, используемых системой ввода/вывода (например, объект обработки прерывания). Другой набор объектов ядра - объекты диспетчеризации, включает объекты синхронизации потоков,

поток ядра, mutex, объекты события, семафора, таймера, таймера ожидания и ряд других.

Поддержка оборудования. Другой главнейшей задачей ядра является абстрагирование (или изоляция) исполняемой части и драйверов устройств от различий микропроцессорных платформ, на которых способна работать Windows NT: х86 и Alpha AXP. Специфичные для архитектуры функции (такие, как контекстное переключение потока) реализованы в ядре. Функции, которые могут отличаться от машины к машине, реализованы в составе HAL. Ядро поддерживает набор интерфейсов, семантически идентичных для всех архитектур. Некоторые из интерфейсов реализованы по-разному для разных архитектур, однако, и идентичны внешне

интерфейсы реализованы с помощью специфичного для архитектуры кода. Независимый от архитектуры интерфейс может быть вызван на любой машине, и его семантика будет той же, несмотря на то, зависит ли код от архитектуры или нет. Некоторые интерфейсы ядра (например, процедуры синхронизации SMP) реализованы в HAL, поскольку их реализация может изменяться

даже внутри одного семейства компьютеров. В качестве примера зависящего от архитектуры кода можно назвать также поддержку кэша центрального процессора.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: