- •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
Дисциплина lfu – выталкивание страницы с наименьшей частотой обращений
Дисциплина LFU (Least Frequently Used) предполагает первоочередное выталкивание из ОЗУ той страницы, к которой за некоторое фиксированное время наблюдения было сделано меньше всего обращений, т.е. страницы с минимальной частотой обращений к ней.
Дисциплина LFU обосновывается тем, что вытеснение страницы, к которой обращаются реже всего, нанесет наименьший ущерб производительности.
Для реализации дисциплины LFU необходимо с каждым страничным кадром сопоставить счетчик обращений, который должен инкрементироваться при каждом обращении к этому страничному кадру. Таким образом, для реализации дисциплины LFU, как и для реализации дисциплины LRU, необходима аппаратная поддержка со стороны процессора, но обеспечить такую поддержку для LFU технически несколько проще.
Однако дисциплина LFU менее совершенна, чем дисциплина LRU. Причина этого кроется в том, что не учитывается время обращения к странице. Например, если некоторая страница после длительного простоя снова начнет активно использоваться, но ее активизация придется на конец интервала наблюдения, то для страницы в среднем за весь интервал наблюдения будет зафиксирована малая частота обращений и страница может быть вытолкнута из первичной памяти, несмотря на серию недавних обращений к ней.
В этой связи и по причине высокой сложности реализации, дисциплина LFU практически не используется в современных операционных системах.
Заметим также, что в отличие от ранее рассмотренных дисциплин замещения, дисциплина LFU не может вынести решения по требованию – решение о выгрузке страницы может приниматься только в дискретные моменты времени по истечению заданного интервала наблюдения.
Дисциплина nru – выталкивание страницы, не используемой в последнее время
Дисциплина замещения NRU (Non Recently Used) предполагает первоочередное выталкивание из ОЗУ страницы, к которой не было зафиксировано обращений за некоторое время наблюдения, а при наличии нескольких таких страниц в первую очередь выталкиваются те из них, которые не модифицировались после загрузки в ОЗУ.
Как и дисциплина LRU, данная дисциплина основана на локализации ссылок при обращении к памяти и предполагает, что для страниц, к которым не было сделано обращений за время наблюдения, сохранится низкая вероятность обращения и в недалеком будущем. При этом дисциплина NRU реализуется значительно проще, чем LRU.
Для реализации дисциплины NRU в полном объеме необходима аппаратная поддержка со стороны процессора. Требуется, чтобы при обращении к странице процессор выставлял бы флаг обращения в соответствующей записи таблицы страниц, а при обращении к странице для записи – флаг модификации. Тем не менее, упрощенный вариант дисциплины NRU может быть реализован и без такой поддержки.
Согласно традиционной реализации дисциплины NRU, для определения страничных кадров-кандидатов на выгрузку из первичной памяти, необходимо сбросить флаг обращения всех страничных кадров и дать системе поработать некоторое время. Затем страничные кадры разделяются на четыре группы в зависимости от значений флага обращения и флага модификации, как показано в следующей таблице 1.
Таблица 1.
категория |
флаг модификации страницы |
флаг обращения к странице |
1 |
0 |
0 |
2 |
1 |
0 |
3 |
0 |
1 |
4 |
1 |
1 |
Согласно дисциплине NRU, для выталкивания выбирается случайная страница или несколько таких страниц из непустой группы с наименьшим номером.
На практике, после истечения интервала анализа, может быть выполнен просмотр страничных кадров для обнаружения страниц из первой группы. Если в ходе просмотра не было найдено достаточное число таких страниц, то на втором проходе ищутся страницы из второй группы и т.д., пока не будет освобождено достаточно памяти.
Как и дисциплина LFU, дисциплина NRU не может использоваться для освобождения страничных кадров по требованию в произвольные моменты времени. Поэтому система управления виртуальной памятью, основанная на дисциплине NRU, должна постоянно поддерживать некоторый пул свободных страничных кадров, например за счет буфера замещения, который будет пополняться периодически, после завершения очередного интервала наблюдения.
Заметим также, что в отличие от рассмотренных ранее дисциплин замещения, дисциплина NRU помимо анализа статистики обращений к страницам, учитывает еще и наличие/отсутствие модификации страниц. При этом в первую очередь во вторичную память выгружаются немодифицированные страницы, сохранение которых перед выгрузкой не требуется, что дополнительно снижает накладные расходы.
Рассмотрим теперь, как при отсутствии должной аппаратной поддержки можно реализовать упрощенный вариант дисциплины замещения NRU.
Упрощенный вариант не учитывает модификации страниц. Для учета же обращений к страницам флаг обращения управляется программно.
Перед началом анализа обращений к страницам, упрощенная дисциплина NUR сбрасывает флаг обращений у всех страничных кадров и одновременно сбрасывает аппаратный флаг доступности, сигнализирующий подсистеме трансляции адресов в составе процессора о доступности соответствующей страницы в ОЗУ. При этом доступность страницы в ОЗУ помечается во вспомогательном программно управляемом флаге доступности, дополнительно сопоставляемом операционной системой с каждой страницей.
Теперь при попытке обращения к любой странице подсистема трансляции адресов выбросит прерывание по отсутствию страницы, так как аппаратный флаг доступности у всех страниц сброшен. Прерывание попадет на обработку к операционной системе, которая проверит значение программного флага доступности. Если программный флаг доступности установлен, то страница представлена в ОЗУ. Обработчик прерывания операционной системы установит аппаратный флаг доступности и программный флаг обращения, после чего прерывание завершится. Поскольку аппаратный флаг доступности теперь установлен, дальнейшие обращения к этой странице будут происходить нормально. С помощью описанного приема удается с минимальными издержками зафиксировать факт обращения к странице.
По истечению интервала анализа, можно переходить к просмотру страничных кадров и пометить как кандидаты на выгрузку те из них, у которых программный бит обращения остался сброшенным.
Независимо от способа реализации дисциплины NRU, вирируя время анализа можно изменять соотношение между страницами, отобранными в качестве кандидатов на выгрузку, и страницами, замещение которых признано нецелесообразным. При достаточно длительном интервале анализа, кандидатами на выгрузку будет совсем небольшое число страниц, которые действительно больше не используются.