Простое непрерывное распределение – это самая простая схема, согласно которой вся память условно может быть разделена на три части:
- область, занимаемая операционной системой;
- область, в которой размещается исполняемая задача;
- незанятая ничем (свободная) область памяти.
Изначально являясь самой первой схемой, она продолжает и сегодня быть достаточно распространенной. Эта схема предполагает, что ОС не поддерживает мультипрограммирование, поэтому не возникает проблемы распределения памяти между несколькими задачами. Программные модули, необходимые для всех программ, располагаются в области самой ОС, а вся оставшаяся память может быть предоставлена задаче. Эта область памяти при этом получается непрерывной, что облегчает работу системы программирования. Поскольку в различных однотипных вычислительных комплексах может быть разный состав внешних устройств (и, соответственно, они содержат различное количество драйверов), для системных нужд могут быть отведены отличающиеся объёмы оперативной памяти, и получается, что можно не привязывать жестко виртуальные адреса программы к физическому адресному пространству. Эта привязка осуществляется на этапе загрузки задачи в память.
Чтобы для задач отвести как можно больший объём памяти, операционная система строится таким образом, что постоянно в оперативной памяти располагается только самая нужная её часть. Эту часть ОС стали называть ядром. Остальные модули ОС могут быть обычными диск-резидентными (или транзитными), то есть загружаться в оперативную память только по необходимости, и после своего выполнения вновь освобождать память.
Такая схема распределения влечет за собой два вида потерь вычислительных ресурсов – потеря процессорного времени, потому что процессор простаивает, пока задача ожидает завершения операций ввода/вывода, и потеря самой оперативной памяти, потому что далеко не каждая программа использует всю память, а режим работы в этом случае однопрограммный. Однако это очень недорогая реализация и можно отказаться от многих функций операционной системы. В частности, такая сложная проблема, как защита памяти, здесь вообще не стоит.
Если есть необходимость создать программу, логическое (и виртуальное) адресное пространство которой должно быть больше, чем свободная область памяти, или даже больше, чем весь возможный объём оперативной памяти, то используется распределение с перекрытием (так называемые оверлейные структуры). Этот метод распределения предполагает, что вся программа может быть разбита на части – сегменты. Каждая оверлейная программа имеет одну главную часть (main) и несколько сегментов (segment), причем в памяти машины одновременно могут находиться только её главная часть и один или несколько не перекрывающихся сегментов.
Пока в оперативной памяти располагаются выполняющиеся сегменты, остальные находятся во внешней памяти. После того как текущий (выполняющийся) сегмент завершит свое выполнение, возможны два варианта. Либо он сам (если данный сегмент не нужно сохранить во внешней памяти в его текущем состоянии) обращается к ОС с указанием, какой сегмент должен быть загружен в память следующим. Либо он возвращает управление главному сегменту задачи (в модуль main), и уже тот обращается к ОС с указанием, какой сегмент сохранить (если это нужно), а какой сегмент загрузить в оперативную память, и вновь отдает управление одному из сегментов, располагающихся в памяти. Простейшие схемы сегментирования предполагают, что в памяти в каждый конкретный момент времени может располагаться только один сегмент (вместе с модулем main). Более сложные схемы, используемые в больших вычислительных системах, позволяют располагать по несколько сегментов. В некоторых вычислительных комплексах могли существовать отдельно сегменты кода и сегменты данных. Сегменты кода, как правило, не претерпевают изменений в процессе своего исполнения, поэтому при загрузке нового сегмента кода на место отработавшего последний можно не сохранять во внешней памяти, в отличие от сегментов данных, которые сохранять необходимо.
Первоначально программисты сами должны были включать в тексты своих программ соответствующие обращения к ОС (их называют вызовами) и тщательно планировать, какие сегменты могут находиться в оперативной памяти одновременно, чтобы их адресные пространства не пересекались. Однако с некоторых пор эти вызовы система программирования стала подставлять в код программы сама, автоматически, если в том возникает необходимость. Так, в известной и популярной системе программирования Turbo Pascal, начиная с третьей версии, программист просто указывал, что данный модуль является оверлейным. И при обращении к нему из основной программы модуль загружался в память и ему передавалось управление. Все адреса определялись системой программирования автоматически, обращения к DOS для загрузки оверлеев тоже генерировались системой Turbo Pascal.
Для организации мультипрограммного режима необходимо обеспечить одновременное расположение в оперативной памяти нескольких задач (целиком или их частями). Самая простая схема распределения памяти между несколькими задачами предполагает, что память, незанятая ядром ОС, может быть разбита на несколько непрерывных частей (разделов). Разделы характеризуются именем, типом, границами (как правило, указываются начало раздела и его длина). Разбиение памяти на несколько непрерывных разделов может быть фиксированным (статическим), либо динамическим (то есть процесс выделения нового раздела памяти происходит непосредственно при появлении новой задачи).
Вначале рассмотрим статическое распределение памяти на несколько разделов. Разбиение всего объёма оперативной памяти на несколько разделов может осуществляться единовременно (то есть в процессе генерации варианта ОС, который потом и эксплуатируется) или по мере необходимости оператором системы. Однако и во втором случае при выполнении разбиения памяти на разделы вычислительная система более ни для каких целей в этот момент не используется.
В каждом разделе в каждый момент времени может располагаться по одной программе (задаче). В этом случае по отношению к каждому разделу можно применить все те методы создания программ, которые используются для однопрограммных систем. Возможно использование оверлейных структур, что позволяет создавать большие сложные программы и в то же время поддерживать коэффициент мультипрограммирования (под коэффициентом мультипрограммирования (μ) понимают количество параллельно выполняемых программ) на должном уровне. Первые мультипрограммные ОС строились по этой схеме. Использовалась эта схема и много лет спустя при создании недорогих вычислительных систем, ибо она является несложной и обеспечивает возможность параллельного выполнения программ. Иногда в некотором разделе размещалось по несколько небольших программ, которые постоянно в нем и находились. Такие программы назывались ОЗУ–резидентными (или просто – резидентными). Они же используются и в современных встроенных системах; правда, для них характерно, что все программы являются резидентными и внешняя память во время работы вычислительного оборудования не используется.
При небольшом объёме памяти и, следовательно, небольшом количестве разделов увеличить количество параллельно выполняемых приложений (особенно когда эти приложения интерактивны и во время своей работы они фактически не используют процессорное время, а в основном ожидают операций ввода/вывода) можно за счёт свопинга (swapping). При свопинге задача может быть целиком выгружена на магнитный диск (перемещена во внешнюю память), а на её место загружается либо более привилегированная, либо просто готовая к выполнению другая задача, находившаяся на диске в приостановленном состоянии. При свопинге из основной памяти во внешнюю (и обратно) перемещается вся программа, а не её отдельная часть. Серьезная проблема, которая возникает при организации мультипрограммного режима работы вычислительной системы, – это защита как самой ОС от ошибок и преднамеренного вмешательства задач в её работу, так и самих задач друг от друга. В самом деле, программа может обращаться к любым ячейкам в пределах своего виртуального адресного пространства. Если система отображения памяти не содержит ошибок и в самой программе их тоже нет, то возникать ошибок при выполнении программы не должно. Однако в случае ошибок адресации, что не так уж и редко случается, исполняющаяся программа может начать «обработку» чужих кодов с непредсказуемыми последствиями. Одной из простейших, но достаточно сильных мер является введение регистров защиты памяти. В эти регистры ОС заносит граничные значения области памяти раздела текущей исполняющейся задачи. При нарушении адресации возникает прерывание и управление передаётся супервизору ОС. Обращения к ОС за необходимыми сервисами осуществляются не напрямую, а через команды программных прерываний, что обеспечивает передачу управления только в предопределенные входные точки кода ОС, и в системном режиме работы процессора, при котором регистры защиты памяти игнорируются. Таким образом, выполнение функции защиты требует введения специальных аппаратных механизмов, используемых операционной системой. Основным недостатком такого способа распределения памяти является наличие порой достаточно большого объёма неиспользуемой памяти. Неиспользуемая память может быть в каждом из разделов. Поскольку разделов несколько, то и неиспользуемых областей получается несколько, поэтому такие потери стали называть фрагментацией памяти. В отдельных разделах потери памяти могут быть очень значительными, однако использовать фрагменты свободной памяти при таком способе распределения не представляется возможным. Желание разработчиков сократить столь значительные потери привело их к следующим двум решениям:
- выделять раздел ровно такого объёма, который нужен под текущую задачу;
- размещать задачу не в одной непрерывной области памяти, а в нескольких областях.
Чтобы избавиться от фрагментации, можно попробовать размещать в оперативной памяти задачи плотно, одну за другой, выделяя ровно столько памяти, сколько задача требует. Одной из первых ОС, реализовавшей такой способ распределения памяти (разделы с подвижными границами), была OS MVT (Multiprogramming with a Variable number of Tasks). Специальный планировщик (диспетчер памяти) ведет список адресов свободной оперативной памяти. При появлении новой задачи диспетчер памяти просматривает этот список и выделяет для задачи раздел, объём которого либо равен необходимому, либо чуть больше, если память выделяется не ячейками, а некими дискретными единицами. При этом модифицируется список свободной памяти. При освобождении раздела диспетчер памяти пытается объединить освобождающийся раздел с одним из свободных участков, если таковой является смежным.
При этом список свободных участков может быть упорядочен либо по адресам, либо по объёму. Выделение памяти под новый раздел может осуществляться одним из трех способов:
- первый подходящий участок;
- самый подходящий участок;
- самый неподходящий участок.
В первом случае список свободных областей упорядочивается по адресам (например, по возрастанию адресов). Диспетчер памяти просматривает этот список и выделяет задаче раздел в той области, которая первой подойдет по объёму. В этом случае, если такой фрагмент имеется, то в среднем необходимо просмотреть половину списка. При освобождении раздела также необходимо просмотреть половину списка. Правило «первый подходящий» приводит к тому, что память для небольших задач преимущественно будет выделяться в области младших адресов и, следовательно, это будет увеличивать вероятность того, что в области старших адресов будут образовываться фрагменты достаточно большого объёма. Способ «самый подходящий» предполагает, что список свободных областей упорядочен по возрастанию объёма этих фрагментов. В этом случае при просмотре списка для нового раздела будет использован фрагмент свободной памяти, объём которой наиболее точно соответствует требуемому. Требуемый раздел будет определяться по-прежнему в результате просмотра в среднем половины списка. Однако оставшийся фрагмент оказывается настолько малым, что в нём уже вряд ли удастся разместить какой-либо ещё раздел и при этом этот фрагмент попадет в самое начало списка. Поэтому в целом такую дисциплину нельзя назвать эффективной. Как ни странно, самым эффективным правилом является последнее, по которому для нового раздела выделяется «самый неподходящий» фрагмент свободной памяти. Для этой дисциплины список свободных областей упорядочивается по убыванию объёма свободного фрагмента. Очевидно, что если есть такой фрагмент памяти, то он сразу же и будет найден, и поскольку этот фрагмент является самым большим, то, скорее всего, после выделения из него раздела памяти для задачи оставшаяся область памяти ещё сможет быть использована в дальнейшем. Однако очевидно, что при любой дисциплине обслуживания, по которой работает диспетчер памяти, из-за того, что задачи появляются и завершаются в произвольные моменты времени и при этом они имеют разные объёмы, то в памяти всегда будет наблюдаться сильная фрагментация. При этом возможны ситуации, когда из-за сильной фрагментации памяти диспетчер задач не сможет образовать новый раздел, хотя суммарный объём свободных областей будет больше, чем необходимо для задачи. В этой ситуации возможно организовать так называемое «уплотнение памяти». Для уплотнения памяти все вычисления приостанавливаются, и диспетчер памяти корректирует свои списки, перемещая разделы в начало памяти (или, наоборот, в область старших адресов). При определении физических адресов задачи будут участвовать новые значения базовых регистров, с помощью которых и осуществляется преобразование виртуальных адресов в физические. Недостатком этого решения является потеря времени на уплотнение и, что самое главное, невозможность при этом выполнять сами вычислительные процессы. Данный способ распределения памяти, тем не менее, применялся достаточно длительное время в нескольких операционных системах, поскольку в нем для задач выделяется непрерывное адресное пространство, а это упрощает создание систем программирования и их работу.
