- •Введение
- •Управление ресурсами: общие сведения
- •Управление процессами
- •2.1 Состояния процессов и переходы между ними
- •Стратегии и дисциплины планирования загрузки процессоров
- •Стратегия одинакового среднего времени ожидания
- •Дисциплина планирования fifo
- •Справедливая стратегия
- •Дисциплина планирования rr
- •Влияние величины кванта времени на величину средней задержки ответа
- •Стратегия максимальной пропускной способности
- •Дисциплина планирования sjf
- •Дисциплина планирования srt
- •Дисциплина планирования hrrn
- •Стратегия приоритетного планирования
- •Дисциплина лотерейного планирования
- •Дисциплины планирования с множеством очередей
- •Планирование с последовательным прохождением очередей
- •Дисциплина планирования vrr
- •Планирование на основе множества очередей с обратными связями
- •2.3 Планирование в многопользовательской системе – справедливое планирование
- •2.4 Планирование загрузки процессоров в операционных системах реального времени – частотно-монотонное планирование
- •2.5 Планирование загрузки процессоров в многопроцессорных системах
- •Многопроцессорная система с главным процессором
- •Организация с собственным планировщиком для каждого процессора
- •Симметричная многопроцессорная организация (smp)
- •Разбиение системных таблиц
- •Смещение моментов прерывания таймера
- •Стратегия планирования загрузки процессоров в многопроцессорной системе
- •Стратегия распределения загрузки
- •Стратегия максимальной производительности при параллельных вычислениях – бригадное планирование
- •Метод расщепление цикла
- •Метод редукции высоты дерева
- •Параллельное вычисление по альтернативным ветвям
- •Бригадное планирование процессов в многопроцессорной системе
- •2.6 Синхронизация выполнения процессов
- •Алгоритмы взаимоисключения с активным ожиданием
- •Алгоритм 1
- •Алгоритм 2
- •Алгоритм 3
- •Алгоритм 4
- •Алгоритм 5
- •Алгоритм Деккера
- •Алгоритм Петерсона
- •Алгоритм на основе команды процессора "проверить и установить"
- •Алгоритм на основе команды процессора "обменять данные"
- •Недостатки алгоритмов с активным ожиданием
- •Алгоритмы взаимоисключения с блокировкой процессов
- •Открытие объекта синхронизации
- •Закрытие объекта синхронизации
- •Вхождение в критическую секцию
- •Выход из критической секции
- •Замечания по реализации примитивов синхронизации
- •Мониторы
- •2.7 Взаимная блокировка процессов (тупики)
- •Необходимые условия возникновения тупика
- •Методы борьбы с тупиками
- •Предотвращение тупиков
- •Нарушение ожидания дополнительных ресурсов
- •Нарушение неперераспределимости ресурсов
- •Нарушение условия кругового ожидания
- •Устранение тупиков
- •Обнаружение тупиков
- •Управление памятью
- •3.1 Иерархическая модель памяти
- •Оценка среднего времени доступа к данным при использовании многоуровневой модели памяти
- •Локализация ссылок при обращении к памяти
- •3.2 Виртуальная память
- •Предпосылки создания виртуальной памяти
- •Архитектура виртуальной памяти
- •Подсистема трансляции адресов
- •Метод прямого отображения
- •Метод ассоциативного отображения
- •Метод комбинированного отображения
- •Архитектура виртуального адресного пространства
- •Сегментная организация виртуальной памяти
- •Страничная организация виртуальной памяти
- •Сегментно-страничная организация виртуальной памяти
- •Отображение файла на виртуальное адресное пространство
- •Совместное использование данных в оперативной памяти
- •3.3 Основные стратегии управления памятью
- •Стратегии выборки данных
- •Стратегии размещения данных
- •Выделение памяти по стратегии первого подходящего
- •Выделение памяти по стратегии наиболее подходящего
- •Выделение памяти по стратегии наименее подходящего
- •Стратегии замещения данных
- •Замещение с немедленной перезаписью и замещение с буферизацией
- •Замещение с локальной и глобальной областью видимости
- •3.4 Управление виртуальной памятью
- •Выборка в системе виртуальной памяти
- •Реализация выборки по требованию
- •Размещение в системе виртуальной памяти
- •Замещение в системе виртуальной памяти
- •Стратегия выталкивания случайной страницы
- •Оптимальная стратегия
- •Дисциплина fifo – выталкивание наиболее старой страницы
- •Дисциплина lru – выталкивание дольше всего неиспользуемой страницы
- •Дисциплина lfu – выталкивание страницы с наименьшей частотой обращений
- •Дисциплина nru – выталкивание страницы, не используемой в последнее время
- •Часовой алгоритм
- •Управление резидентным множеством страниц процесса
- •Понятие рабочего множества страниц процесса
- •Управление резидентными множествами на основе рабочих множеств
- •Глобальное замещение, динамическое резидентное множество
- •Локальное замещение, фиксированное резидентное множество
- •Локальное замещение, динамическое резидентное множество
- •Алгоритм на основе оценки частоты прерываний – дисциплина pff (Page Fault Frequency)
- •Алгоритм с переменным пробным интервалом – дисциплина vsws
- •Влияние размера страницы
- •Оптимизация работы дискового накопителя
- •Оптимизация механических перемещений головок диска
- •Основы устройства и функционирования дисковых накопителей
- •Стратегии оптимизации механических перемещений головок диска
- •Стратегия fcfs – Fist Come First Served
- •Стратегия sstf – Shortest Seek Time First
- •Стратегия scan – Scanning
- •Стратегия n-step scan – n-step Scanning
- •Системный дисковый кэш
- •Структура системного дискового кэша
- •Хэширование, хэш-функции и хэш-очереди
- •Структура блока и очередей дискового кэша
- •Работа системного дискового кэша
- •Упреждающее чтение
- •Реализация дискового кэша на основе виртуальной памяти
- •3.6 Надежность операционной системы при использовании системного дискового кэша
- •Буферизация ввода-вывода на пользовательском уровне
- •3.7 Процессорный кэш
- •Отображение участков озу на процессорный кэш
- •Случайное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Детерминированное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Комбинированное отображение участков озу в процессорный кэш
- •Работа процессорного кэша в режиме записи данных
- •3.8 Динамическое распределение памяти
- •Куча (heap)
- •Алгоритмы динамического распределения памяти
- •Отложенное объединение свободных блоков
- •Оптимизация списка свободных блоков
- •Метод парных меток для поддержания списка блоков кучи
- •Специальные алгоритмы динамического распределения памяти из кучи
- •Метод близнецов (или метод двойников)
- •Алгоритм выделения блоков памяти одинакового размера
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Реализация выборки по требованию
Реализация выборки по требованию в системе виртуальной памяти основана на механизме прерываний. Как уже было рассмотрено, в каждой записи таблицы страниц предусмотрен специальный флаг доступности. Флаг доступности установлен, если данная виртуальная страница представлена в ОЗУ, и сброшен в противном случае.
Аппаратура процессора проверяет флаг доступности в ходе трансляции виртуального адреса в физический. Если флаг доступности у выбранной страницы оказался сброшен, то автоматически вырабатывается прерывание по отсутствию страницы и управление передается обработчику прерывания в составе операционной системы, который:
определяет, в каком именно процессе, и при обращении к какой именно странице памяти возникло прерывание по отсутствию страницы;
определяет местоположение данных отсутствующей в ОЗУ станицы на диске и формирует запрос к дисковому накопителю на считывание блока данных;
переводит процесс, вызвавший прерывание, в заблокированное состояние и передает управление планировщику для выбора на исполнение другого процесса.
Завершив операцию считывания данных, контроллер дискового накопителя генерирует прерывание по завершению операции ввода-вывода, которое снова поступает на обработку операционной системе. Обработчик прерывания определяет процесс, в интересах которого выполнялась транзакция данных, корректирует соответствующую запись в его таблице отображения страниц, и переводит процесс в состояние готовности.
Теперь, когда этот процесс будет выбран на исполнение, он продолжит работу с команды, вызвавшей ранее прерывание по отсутствию страницы, но теперь данные этой страницы размещены в ОЗУ, и программа будет нормально выполняться.
Размещение в системе виртуальной памяти
При использовании страничной организации виртуальной памяти, реализация стратегии размещения становится тривиальной. Так как все страничные кадры имеют одинаковый размер, стратегия первого подходящего оказывается наилучшей.
Если в какой-то момент в ОЗУ не оказывается свободного страничного кадра, и выполнить размещение новых данных становится невозможным, то необходимо запустить алгоритм замещения, который выгрузит на диск один или несколько страничных кадров, освободив в ОЗУ место для размещения новых данных.
Замещение в системе виртуальной памяти
Алгоритм замещения страниц является одним из ключевых компонентов в системе управления виртуальной памятью, поскольку оказывает существенное влияние на производительность всей вычислительной системы в целом.
Рассмотрим стратегии и наиболее известные дисциплины замещения, предложенные в разное время для работы в системе виртуальной памяти.
Стратегия выталкивания случайной страницы
Поскольку в распоряжении алгоритма замещения достоверной информации об адресах будущих обращений к памяти обычно не имеется, была предложена стратегия выталкивания случайной страницы.
Дисциплина, реализующая эту стратегию, равновероятно выбирает для замещения любой из страничных кадров, представленных в ОЗУ. Поскольку при этом для замещения могут быть выбраны активно используемые страничные кадры, дисциплина замещения случайной страницы должна реализовываться с использованием буферизации, которая позволит быстро исправить ошибочное решение.
При этом реализуется хорошо известный в теории оптимизации алгоритм случайного поиска, который в данном случае выполняет поиск неиспользуемых страничных кадров. Выбирая случайный страничный кадр, алгоритм замещения выдвигает гипотезу об отсутствии в ближайшем будущем обращений к нему, и эта гипотеза проверяется в ходе дальнейшей работы системы. Если к странице произошло обращение, то гипотеза была ошибочной. Ошибочные гипотезы отклоняются с минимальными накладными расходами за счет использования буферизации замещения, в то время как «угаданные» страницы после выдержки в буфере замещения будут вытеснены из ОЗУ.
Таким образом, стратегия выталкивания случайной страницы легко реализуется и может с успехом применяться в случаях, когда нет возможности сделать более обоснованные предположения о выходе тех или иных страничных кадров из рабочих наборов исполняющихся процессов. Однако, данная стратегия не обеспечивает достижения предельных характеристик производительности и редко используется на практике.