- •Операционные системы
- •1. Назначение и функции операционных систем. История развития
- •1.1. Основные функции операционных систем
- •1.2. Эволюция ос
- •1.2.1. Первый период (1945 -1955)
- •1.2.2. Второй период (1955 - 1965)
- •1.2.3. Третий период (1965 – 1980)
- •1.2.4. Четвертый период (1980 - настоящее время)
- •2. Классификация операционных систем
- •2.1. Классификация ос в зависимости от особенностей алгоритмов управления ресурсами
- •2.1.1. Поддержка многозадачности
- •2.1.2 Поддержка многопользовательского режима
- •2.1.3 Вытесняющая и невытесняющая многозадачность
- •2.1.4 Поддержка многонитевости.
- •2.1.5 Наличие механизма многопроцессорной обработки
- •2.2. Классификация ос в зависимости от особенностей аппаратных платформ
- •2.3. Классификация ос по областям использования
- •2.4. Особенности методов построения ос
- •3. Управление процессами
- •3.1. Состояния процессов
- •3.2. Контекст и дескриптор процесса
- •3.3. Алгоритмы планирования процессов
- •3.4. Средства синхронизации и взаимодействия процессов
- •3.4.1. Проблема синхронизации
- •3.4.2 Критическая секция
- •3.4.3 Тупики
- •3.4.4 Нити
- •4. Управление памятью
- •4.1. Типы адресов
- •4.2. Методы распределения памяти без использования дискового пространства
- •4.2.1. Распределение памяти фиксированными разделами
- •4.2.2. Распределение памяти разделами переменной величины
- •4.2.3. Перемещаемые разделы
- •4.3 Методы распределения памяти с использованием дискового пространства
- •4.3.1. Понятие виртуальной памяти
- •4.3.2. Страничное распределение
- •4.3.3. Сегментное распределение
- •4.3.4. Странично-сегментное распределение
- •4.3.5. Свопинг
- •4.4. Иерархия запоминающих устройств. Принцип кэширования данных
- •5. Управление вводом-выводом
- •5.1. Физическая организация устройств ввода-вывода
- •5.2. Организация программного обеспечения ввода-вывода
- •5.2.1. Обработка прерываний
- •5.2.2. Драйверы устройств
- •5.2.3. Независимый от устройств слой операционной системы
- •5.2.4. Пользовательский слой программного обеспечения
- •6. Файловая система
- •6.1. Правила именования и типы файлов
- •6.2. Логическая организация файла
- •6.3. Физическая организация и адрес файла
- •6.4. Права доступа к файлу
- •6.5. Кэширование диска
- •6.6. Общая модель файловой системы
- •6.7. Современные архитектуры файловых систем
- •7. Управление распределенными ресурсами
- •7.1. Базовые примитивы передачи сообщений в распределенных системах
- •7.2. Способы адресации
- •7.3. Блокирующие и неблокирующие примитивы
- •7.4. Буферизуемые и небуферизуемые примитивы
- •7.5. Надежные и ненадежные примитивы
- •8. Современные концепции проектирования операционных систем
- •8.1. Расширяемость
- •8.2. Переносимость
- •8.3. Совместимость
- •8.4. Безопасность
- •9. Варианты построения информационных приложений
- •9.1. Типовые компоненты информационных приложений
- •9.2. Централизованные многотерминальные системы
- •9.3. Файл-серверные приложения
- •9.4. Приложения клиент-сервер
- •9.5. Распределенные вычисления
- •9.6. Офисные системы
- •9.7. Информационные системы на основе Internet/Intranet-технологии
- •10. Концепции windows nt
- •10.1 Структура: nt-executive и защищенные подсистемы
- •10.2. Множественные прикладные среды в Windows nt
- •10.3. Объектно-ориентированный подход в Windows nt
- •10.4. Процессы и нити
- •10.5. Алгоритм планирования процессов и нитей
- •10.6. Сетевые средства Windows nt
- •10.7. Совместимость линейки операционных систем Windows nt с Novell NetWare
- •Оглавление
4.3 Методы распределения памяти с использованием дискового пространства
4.3.1. Понятие виртуальной памяти
Часто нужно разместить в памяти программу, размер которой превышает объем свободной памяти. Программу разбивают на части, называемые оверлеями. 0-ой оверлей начинает выполняться первым. Когда он заканчивает свое выполнение, он вызывает другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист.
Виртуальная память представляет собой более развитый метод. Вообще говоря, виртуальным называется ресурс, который пользователю представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает.
Так, например, пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память, размер которой превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, но в действительности все данные, используемые программой, хранятся на одном или нескольких разнородных запоминающих устройствах, обычно на дисках, и при необходимости частями отображаются в реальную память.
Таким образом, виртуальная память – это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память.
Для этого виртуальная память решает следующие задачи:
– размещает данные в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;
– перемещает по мере необходимости данные между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в оперативную память;
– преобразует виртуальные адреса в физические.
Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.
Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.
4.3.2. Страничное распределение
Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части фиксированного размера (страницы). В общем случае размер виртуального адресного пространства не является кратным размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.
Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера.
Размер страницы обычно выбирается кратным степени двойки: 512, 1024 и т.д..
При загрузке процесса часть его виртуальных страниц помещается в оперативную память, а остальные – на диск. При загрузке операционная система создает для каждого процесса информационную структуру – таблицу страниц, в которой устанавливается соответствие между номерами виртуальных и физических страниц для страниц, загруженных в оперативную память, или делается отметка о том, что виртуальная страница выгружена на диск. Кроме того, в таблице страниц содержится управляющая информация, такая как признак модификации страницы, признак невыгружаемости (выгрузка некоторых страниц может быть запрещена), признак обращения к странице (используется для подсчета числа обращений за определенный период времени) и другие данные, формируемые и используемые механизмом виртуальной памяти.
При активизации очередного процесса в специальный регистр процессора загружается адрес таблицы страниц данного процесса.
При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. Если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Если же нужная виртуальная страница в данный момент выгружена на диск, то происходит так называемое страничное прерывание. Выполняющийся процесс переводится в состояние ожидания, и активизируется другой процесс из очереди готовых. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то решается вопрос, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.
В данной ситуации может быть использовано много разных критериев выбора, наиболее популярные из них следующие:
– дольше всего не использовавшаяся страница;
– первая попавшаяся страница;
– страница, к которой в последнее время было меньше всего обращений.
После того, как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, анализируется ее признак модификации из таблицы страниц. Если выталкиваемая страница с момента загрузки была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то она может быть просто уничтожена, то есть соответствующая физическая страница объявляется свободной.
На производительность системы со страничной организацией памяти влияют временные затраты, связанные с обработкой страничных прерываний и преобразованием виртуального адреса в физический. При часто возникающих страничных прерываниях система может тратить большую часть времени впустую, на свопинг страниц. Чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. Кроме того, увеличение размера страницы уменьшает размер таблицы страниц, а значит уменьшает затраты памяти.
С другой стороны, если страница велика, значит велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждой программы. В среднем на каждой программе теряется половина объема страницы, что в сумме при большой странице может составить существенную величину. Время преобразования виртуального адреса в физический в значительной степени определяется временем доступа к таблице страниц. В связи с этим таблицу страниц стремятся размещать в более быстрых запоминающих устройствах. Это может быть, например, набор специальных регистров или память, использующая для уменьшения времени доступа ассоциативный поиск и кэширование данных.
Страничное распределение памяти может быть реализовано в упрощенном варианте, без выгрузки страниц на диск. В этом случае все виртуальные страницы всех процессов постоянно находятся в оперативной памяти. Такой вариант страничной организации хотя и не предоставляет пользователю виртуальной памяти, но почти исключает фрагментацию за счет того, что программа может загружаться в несмежные области, а также того, что при загрузке виртуальных страниц никогда не образуется остатков.