Memóriakezelés (Memory management)

Átírás

1 1 Memóriakezelés (Memory management) Háttér, alapok Logikai és fizikai címtér Valós címzésű menedzselés Partíciók Szabad/foglalt partíciók kezelése

2 2 Háttér, alapok Az számítógép (processzor) kapacitásának jobb kihasználása megköveteli, hogy egyszerre több processzus osztozzon a memórián (shared memory). Egy program alapvetően valamilyen (bináris végrehajtható) fájl formában helyezkedik el a háttértárban. Végrehajtáshoz be kell tölteni a memóriába. Bár a gépek egyre nagyobb központi memóriával rendelkeznek, a memóriával mindenképp gazdálkodni kell mert az alkalmazások is és az operációs rendszer magja is egyre nagyobb memóriát igényelnek. Parkinson törvénye: "Programs expand to fill the memory aviable to hold them". Végrehajtás közben a memóriakezelési stratégiától függően többször mozoghat a memória és háttértár között. Memory Cache (drága, kevés)+ RAM (kevésbé drága, több) + disk storage (olcsó, sok)

3 3 Input queue a végrehajtásra kijelölt és evégett sorban álló programok együttese. A programkódhoz és a program változókhoz valamikor memória címeket kell rendelni (address binding). Ez történhet a betöltés előtt, közben, vagy akár utána is: Fordítási időben történő tárfoglalás (címkapcsolás). Betöltési (szerkesztési) időben történő tárfoglalás (címkapcsolás). Futási időben történő tárfoglalás (címkapcsolás). A memória (RAM) címekkel rendelkező rekeszek (bájtok, szavak) készlete. A memória celláknak van címe, a címek készlete a címtartomány (address space). Egy cím csakis egy címtartomány elemét veheti fel. Megkülönböztethetünk fizikai címtartományokat (physical address space) és logikai címtartományokat (logical address space). A fizikai (vagy valós) címtartományok elemei olyan címek, amik kiadhatók a buszra, a fizikai memóriacellák címei alkotják a készletet. Az instrukciókban szereplő címek készlete a logikai címtartomány.

4 4 Egy felhasználói program feldolgozásának lépései

5 5 A címkötődés (Address Binding) Programjaink több lépcsőn mennek át fejlesztésük során, ebből következően több címkötődési eset lehetséges. A lépcsők: a fordítás (compilation), a taszképítés (link), a betöltés (load) és a végrehajtás (run), bármelyikben történhet a címkötődés. Kötődés a fordítás során: abszolút cím generálódik már a tárgymodulokban. Ha itt nincs kötődés, akkor a tárgymodulokban relatív címek generálódnak. Kötődés a taszképítés során: abszolút címek generálódnak a végrehajtható modulokban (executable files), különben azokban relatív címek vannak. Ha relatív címek vannak, akkor a program áthelyezhető (relocatable). Egy fajta relatív cím a virtuális cím (lásd később).

6 6 Kötődés a betöltés során: a végrehajtható programfájlban relokálható címek a betöltés során "átíródnak", és abszolút címekké válnak. Ha nincs kötődés a betöltés során, akkor a folyamat kódszegmensének címei még mindig relatív címek (pl. virtuális címek). Kötődés a futás során, dinamikus a kötődés. A processz kódjában az instrukciók ún. logikai címeket tartalmaznak. A logikai cím lehet relatív cím, virtuális cím. A CPU tehát logikai címet kap feldolgozásra, ezeket átképzi fizikai címekké és ez adható ki a buszra. Az operációs rendszerek magjának fontos része a Memória Menedzselő Alrendszer (Memory Management System, Memory Management Unit), A memóriamenedzselő alrendszernek két nagyobb, jól megkülönböztethető feladatosztálya van:

7 7 Az egyik a memória allokálás feladatköre. Ez lehet statikus (egy processz keletkezésekor címtartományt és memóriát kell biztosítani), vagy dinamikus (a processz futása során további memóriát igényel, ami természetesen címtartomány bővítéssel járhat). A memória allokálása a mai rendszerekben kisöprési-kilapozási területek biztosításával és leképzési táblák létrehozásával (bővítésével) járnak. A másik feladatkör a címleképzés (a címkötődés) segítése. Ez a feladatkör különösen a dinamikus címkötődéses rendszereknél a mai virtuális címzésű rendszereknél feltétlenül fontos. A címleképzés a logikai (virtuális) cím átalakítása valós címmé, közben ki- és besöprési, ki- és belapozási alfeladatok merülhetnek fel. Különböző memóriamenedzselő sémák lehetségesek. Ezek együtt fejlődtek a hardver- és szoftver-fejlődéssel.

8 8 Memóriamenedzsment osztályok Több szempont szerint is osztályozhatunk. Egyik osztályozás szerint vannak olyan memóriamenedzselő rendszerek, melyek mozgatják a processzek kontextusát (vagy annak egy részét) a fő memória és a másodlagos memória (HDD) között: ki-belapozó rendszerek; ki-besöprő rendszerek; nem mozgatják a kontextusokat. További osztályozás szerint lehetnek: 1. Valós címzésű rendszerek, ezen belül mono-programozású, multi-programozású rendszerek, ezen belül - fix partíciós, - változó partíciós rendszerek; 2. Virtuális címzésű rendszerek, ezen belül - lapozós (paging) rendszerek, - szegmens-leképző, ki-besöprő rendszerek, - szegmentáló, ki-besöprő és ugyanakkor lapozó rendszerek.

9 9 Nézzünk ezekre tipikus példákat, közben magyarázva a lényeget is. Valós címzésű rendszerek Mono-programozás. A legegyszerűbb séma. Egy időben egy processz (vagy folyamat, taszk, job) van a memóriában és az elfoglalhatja az operációs rendszer moduljai mellett (fölött, alatt, között) a teljes memóriát. A program fejlesztése során a fordító-taszképítő (compiler-linker) valós címeket generál, a cím és memóriakötődés történhet bármelyik fázisban. MS-DOS. A *.COM fájloknál a kötődés a betöltés során, a *.EXE fájloknál futás során történik.

10 10 Multi-programozás fix méretű partíciókkal (IBM OS/MFT). MFT Multiprogramming with Fixed number of Tasks Fix méretű partíciókban, szeparált input sorokkal ((a) ábra). A memóriának az operációs rendszer által el nem foglalt részét fix méretű részekre, partíciókra osztották. Mindegyik partíciónak saját input sora volt, a programokat (jobokat) az egyes partíciókba kellett fordítani-linkelni. A programozó tehát tudta, hogy milyen címen kezdődik és meddig tart egy-egy partíció, a compiler-linker csakis a partícióba tartozó címeket generál.

11 11 Valós címzés fix partíciókkal, közös input sorral ((b) ábra). A szeparált input sorokat használó rendszer hátránya volt, hogy maradhattak üres partíciók. Ezt lehetett elkerülni egyetlen közös input sor használatával. Bármelyik partíció kiürülve azonnal fogadhatta a következő munkát, ami még belefért. Problémák: Áthelyezés (relocation) kellett automatizálni. Megoldás: A fordító-taszképítő (compiler-linker) eltolás címeket (offset) generált, melyek a program 0 kezdő címétől számítódtak.

12 12 A végleges címet előállíthatták ezek után két módon is: egyik szerint a program betöltése (load) során minden címet átírtak az eltolás értékhez hozzáadva a partíció kezdőcímét, így előálltak a betöltött programban a partícióhoz tartozó címek. Másik megoldás szerint - mikor is minden címzés egy szegmens-regiszter és egy eltolás értékből adódik -, a betöltés során nem változtatták meg a címeket, hanem a partíció kezdőcímét betöltötték a szegmens-regiszterbe. Futás során így is a partícióhoz tartozó címek keletkezhettek. Védelem (protection) hogyan lehet ellenőrizni, hogy egy-egy program ki ne címezzen a partíciójából. A betöltés során a címeket átíró módszer esetén az átírással egyidőben lehetett ellenőrizni minden címzést. A szegmens-regiszteres címzéses megoldáshoz más ellenőrzés kellett. Kétféle ellenőrzési módszer is bevált. Egyik szerint a partíció-határok címeit regiszterekben tartva minden címzés ellenőrződött, vajon e két határ közé esik-e. Vegyük észre, hogy ez dinamikus jellegű, a gépi instrukciók végrehajtása közben történik az ellenőrzés. Másik megoldás szerint - ilyen volt a híres IBM 360-as rendszer - a memória minden 2 blokkja kapott 4 bites védelmi kódot, ugyanakkor a PSW-ben (Program Status Word, 64 bites) is volt 4 bites védelmi kód (protection key).

13 13 PSW struktúra: Protection key Ha a címzés során e két kód nem egyezett, bekövetkezett a címzés védelem megsértése kivételes esemény.

14 14 Multi-programozás változó méretű partíciókkal (CDC Cyber supercomputer, MS-DOS). Control Data Corporation, Lényeg: a fordító-taszképítő valós, eltolás (offset) címeket generál (kötődés itt még nincs), a rendszer memóriáját azonban nem osztjuk fel előre partíciókra. Az input sorba került munkák a szabad területről, vagy a már korábban kialakult, a rendszer élete során dinamikusan változó méretű partíciókból igényelnek memória partíciókat. Vannak tehát "szabad" partíciók, és vannak foglaltak. Az ábrán A, B, C és D különböző méretű munkáknak megfelelően történik a memória partíciónálása (kötődés a betöltés vagy a futás során történhet).

15 15 Problémák: Relokáció (áthelyezés) és védelem (protection). A munkák helyigényét előre meg kell mondani, hogy ellenőrizhető legyen, befér-e egy - egy nem használt "partícióba." Valamilyen stratégia kell az elhelyezésre, ha több üres helyre is befér a munka. Idővel szegmentálódik a memória. Szükség van az üres szomszédos szegmensek összevonására, időnként pedig az összes üres terület egyetlen területre való összevonására: a Memory Compression-ra. Az elhelyezés (relocation) stratégiák a következők lehetnek: First Fit (Next Fit) stratégia. Best Fit stratégia. Worts Fit stratégia.

16 16 A best fit stratégia lényege: a soron következő munka abba a szabad memória partícióba kerül, amibe a legkisebb veszteséggel befér. Az elgondolás mögötte az, hogy így lesz a legkisebb a veszteség. Érdekes tapasztalat volt azonban, hogy az elgondolás nem ad jó eredményeket. Kikeresni a szabad területek láncolt listáján a legjobban passzoló területet idő-igényes, ugyanakkor a memória szegmentálódik, keletkeznek benne kisméretű szabad partíciók, amikbe később nem is lehet semmit tölteni, csakis memória összevonás (compression) után használhatók: éppen az ellenkezőjét érjük el, mint amit akartunk, lesz veszteség. A worst fit stratégia szerint szintén végig kell keresni az összes szabad területet, és abba kell betölteni a munkát, amiben a "legtágasabban" fér el. Időigényes ugyan a keresés, de kevésbé szegmentálódik a memória, nem lesznek nagyon kicsi üres szegmensek. Egész jó eredményeket szolgáltat a first fit, és még jobb a next fit stratégia: az első (vagy az előző alkalommal megkeresett partíciótól kezdve) szabad területre töltsük a munkát, amibe belefér. Elmarad az időigényes keresés és tapasztalatok szerint nem szegmentálódik túlságosan a memória. A stratégiák minősítése függ attól, hogy milyen módszerekkel tartják nyilván a memória foglaltságot. Elvileg ez lehet bit térképes, vagy láncolt listás. Az utóbbi volt az elterjedt.

17 17 Partíciók kezelése - Bit-térképek (bit-maps), láncolt listák (linkes lists) Allocation unit Foglalási egység (allocation unit) néhány byte-tól néhány kilobyte-ig. P - process, H -hole (lyuk). (C) ábrán foglalt és szabad partíciók kezelése egy közös listában történik. Alternatíva: két külön lista szabad és foglalt. Kiszabadult partíció kezelése költséges, viszont a folyamat indításához szükséges partíció megkeresése gyors.

18 18 Általános esetben egy X folyamatnak két szomszédja van: A és B. Akkor a következő négy lehetséges szituáció fordulhat elő: Memória kompresszió szükséges B, C, és D esetben

19 19 Példa