ЛЕКЦИЯ 5

Тема 6 Синхронизация процессов и потоков

6.1 Цели и средства синхронизации. Необходимость синхронизации и гонки. Критическая секция. Блокирующие переменные. Семафоры. Тупики.

Цели и средства синхронизации

Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с помощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков. Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной операционной системе и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов вычислительной системы. Синхронизация необходима для исключения гонок и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

Во многих операционных системах эти средства называются средствами межпроцессного взаимодействия — Inter Process Communications (IPC), что отражает историческую первичность понятия «процесс» по отношению к понятию «поток». Обычно к средствам IPC относят не только средства межпроцессной синхронизации, но и средства межпроцессного обмена данными.

Выполнение потока в мультипрограммной среде всегда имеет асинхронный характер. Очень сложно с полной определенностью сказать, на каком этапе выполнения будет находиться процесс в определенный момент времени. Даже в однопрограммном режиме не всегда можно точно оценить время выполнения задачи. Это время во многих случаях существенно зависит от значения исходных данных, которые влияют на количество циклов, направления разветвления программы, время выполнения операций ввода-вывода и т. п. Так как исходные данные в разные моменты запуска задачи могут быть разными, то и время выполнения отдельных этапов и задачи в целом является весьма неопределенной величиной.

Еще более неопределенным является время выполнения программы в мультипрограммной системе. Моменты прерывания потоков, время нахождения их в очередях к разделяемым ресурсам, порядок выбора потоков для выполнения — все эти события являются результатом стечения многих обстоятельств и могут быть интерпретированы как случайные. В лучшем случае можно оценить вероятностные характеристики вычислительного процесса, например вероятность его завершения за данный период времени.

Таким образом, потоки в общем случае (когда программист не предпринял специальных мер по их синхронизации) протекают независимо, асинхронно друг другу. Это справедливо как по отношению к потокам одного процесса, выполняющим общий программный код, так и по отношению к потокам разных процессов, каждый из которых выполняет собственную программу.

Любое взаимодействие процессов или потоков связано с их синхронизацией, которая заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события. Синхронизация лежит в основе любого взаимодействия потоков, связано ли это взаимодействие с разделением ресурсов или с обменом данными. Например, поток-получатель должен обращаться за данными только после того, как они помещены в буфер потоком-отправителем. Если же поток-получатель обратился к данным до момента их поступления в буфер, то он должен быть приостановлен.

При совместном использовании аппаратных ресурсов синхронизация также совершенно необходима. Когда, например, активному потоку требуется доступ к последовательному порту, а с этим портом в монопольном режиме работает другой поток, находящийся в данный момент в состоянии ожидания, то ОС приостанавливает активный поток и не активизирует его до тех пор, пока нужный ему порт не освободится. Часто нужна также синхронизация с событиями, внешними по отношению к вычислительной системе.

Ежесекундно в системе происходят сотни событий, связанных с распределением и освобождением ресурсов, и ОС должна иметь надежные и производительные средства, которые бы позволяли ей синхронизировать потоки с происходящими в системе событиями.

Для синхронизации потоков прикладных программ программист может использовать как собственные средства и приемы синхронизации, так и средства операционной системы. Например, два потока одного прикладного процесса могут координировать свою работу с помощью доступной для них обоих глобальной логической переменной, которая устанавливается в единицу при осуществлении некоторого события, например выработки одним потоком данных, нужных для продолжения работы другого. Однако во многих случаях более эффективными или даже единственно возможными являются средства синхронизации, предоставляемые операционной системой в форме системных вызовов. Так, потоки, принадлежащие разным процессам, не имеют возможности вмешиваться каким-либо образом в работу друг друга. Без посредничества операционной системы они не могут приостановить друг друга или оповестить о произошедшем событии. Средства синхронизации используются операционной системой не только для синхронизации прикладных процессов, но и для ее внутренних нужд. Обычно разработчики операционных систем предоставляют в распоряжение прикладных и системных программистов широкий спектр средств синхронизации. Эти средства могут образовывать иерархию, когда на основе более простых средств строятся более сложные, а также быть функционально специализированными, например средства для синхронизации потоков одного процесса, средства для синхронизации потоков разных процессов при обмене данными и т. д. Часто функциональные возможности разных системных вызовов синхронизации перекрываются, так что для решения одной задачи программист может воспользоваться несколькими вызовами в зависимости от своих личных предпочтений.

Необходимость синхронизации и гонки

Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы. Рассмотрим, например (рис. 6.1.1), задачу ведения базы данных клиентов некоторого предприятия. Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой среди прочих полей имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе поток А, который заносит в базу данных информацию о заказах, поступивших от клиентов, и поток В, который фиксирует в базе данных сведения об оплате клиентами выставленных счетов. Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы, включающие три шага.

1. Считать из файла базы данных в буфер запись о клиенте с заданным идентификатором.

2. Внести новое значение в поле Заказ (для потока А) или Оплата (для потока В).

3. Вернуть модифицированную запись в файл базы данных.

Рис. 6.1.1. Возникновение гонок при доступе к разделяемым данным

Обозначим соответствующие шаги для потока А как Al, A2 и A3, а для потока В как Bl, B2 и ВЗ. Предположим, что в некоторый момент поток А обновляет поле Заказ записи о клиенте N. Для этого он считывает эту запись в свой буфер (шаг А1), модифицирует значение поля Заказ (шаг А2), но внести запись в базу данных (шаг A3) не успевает, так как его выполнение прерывается, например, вследствие завершения кванта времени.

Предположим также, что потоку В также потребовалось внести сведения об оплате относительно того же клиента N. Когда подходит очередь потока В, он успевает считать запись в свой буфер (шаг В1) и выполнить обновление поля Оплата (шаг В2), а затем прерывается. Заметим, что в буфере у потока В находится запись о клиенте N, в которой поле Заказ имеет прежнее, не измененное значение.

Когда в очередной раз управление будет передано потоку А, то он, продолжая свою работу, запишет запись о клиенте N с модифицированным полем Заказ в базу данных (шаг A3). После прерывания потока А и активизации потока В последний запишет в базу данных поверх только что обновленной записи о клиенте N свой вариант записи, в которой обновлено значение поля Оплата. Таким образом, в базе данных будут зафиксированы сведения о том, что клиент N произвел оплату, но информация о его заказе окажется потерянной (рис. 6.1.2, а).

Сложность проблемы синхронизации кроется в нерегулярности возникающих ситуаций. Так, в предыдущем примере можно представить и другое развитие событий: могла быть потеряна информация не о заказе, а об оплате (рис. 6.1.2, б) или, напротив, все исправления были успешно внесены (рис. 6.1.2, в). Все определяется взаимными скоростями потоков и моментами их прерывания. Поэтому отладка взаимодействующих потоков является сложной задачей. Ситуации, подобные той, когда два или более потоков обрабатывают разделяемые данные и конечный результат зависит от соотношения скоростей потоков, называются гонками.

Рис. 6.1.2. Влияние относительных скоростей потоков на результат решения задачи

Критическая секция Критический участок

Важным понятием синхронизации потоков является понятие «критической секции» программы. Критическая секция — это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено. Критическая секция всегда определяется по отношению к определенным критическим данным, при несогласованном изменении которых могут возникнуть нежелательные эффекты. В предыдущем примере такими критическими данными являлись записи файла базы данных. Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция. Заметим, что в разных потоках критическая секция состоит в общем случае из разных последовательностей команд.

Чтобы исключить эффект гонок по отношению к критическим данным, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, находится этот поток в активном или в приостановленном состоянии. Этот прием называют взаимным исключением. Операционная система использует разные способы реализации взаимного исключения. Некоторые способы пригодны для взаимного исключения при вхождении в критическую секцию только потоков одного процесса, в то время как другие могут обеспечить взаимное исключение и для потоков разных процессов.

Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения взаимного исключения состоит в том, что операционная система позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управление системой пользовательскому потоку — он может надолго занять процессор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Блокирующие переменные

Для синхронизации потоков одного процесса прикладной программист может использовать глобальные блокирующие переменные. С этими переменными, к которым все потоки процесса имеют прямой доступ, программист работает, не обращаясь к системным вызовам ОС.

Рис. 6.1.3. Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных

Каждому набору критических данных ставится в соответствие двоичная переменная, которой поток присваивает значение 0, когда он входит в критическую секцию, и значение 1, когда он ее покидает. На рис. 6.1.3 показан фрагмент алгоритма потока, использующего для реализации взаимного исключения доступа к критическим данным D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию поток проверяет, не работает ли уже какой-нибудь поток с данными D. Если переменная F(D) установлена в 0, то данные заняты и проверка циклически повторяется. Если же данные свободны (F(D) = 1), то значение переменной F(D) устанавливается в 0 и поток входит в критическую секцию. После того как поток выполнит все действия с данными О, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.

Блокирующие переменные могут использоваться не только при доступе к разделяемым данным, но и при доступе к разделяемым ресурсам любого вида.

Если все потоки написаны с учетом вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. При этом потоки могут быть прерваны операционной системой в любой момент и в любом месте, в том числе в критической секции.

Однако следует заметить, что одно ограничение на прерывания все же имеется. Нельзя прерывать поток между выполнением операций проверки и установки блокирующей переменной. Поясним это. Пусть в результате проверки переменной поток определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой поток занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому потоку, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелательным последствиям. Во избежание таких ситуаций в системе команд многих компьютеров предусмотрена единая, неделимая команда анализа и присвоения значения логической переменной (например, команды ВТС, BTR и ВТ5 процессора Pentium). При отсутствии такой команды в процессоре соответствующие действия должны реализовываться специальными системными примитивами, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация взаимного исключения описанным выше способом имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один поток находится в критической секции, другой поток, которому требуется тот же ресурс, получив доступ к процессору, будет непрерывно опрашивать блокирующую переменную, бесполезно тратя выделяемое ему процессорное время, которое могло бы быть использовано для выполнения какого-нибудь другого потока. Для устранения этого недостатка во многих ОС предусматриваются специальные системные вызовы для работы с критическими секциями.

На рис. 6.1.4 показано, как с помощью этих функций реализовано взаимное исключение в операционных системах семейства Windows NT. Перед тем как начать изменение критических данных, поток выполняет системный вызов EnterCriticalSection(). В рамках этого вызова сначала выполняется, как и в предыдущем случае, проверка блокирующей переменной, отражающей состояние критического ресурса. Если системный вызов определил, что ресурс занят (F(D) - 0), он в отличие от предыдущего случая не выполняет циклический опрос, а переводит поток в состояние ожидания D) и делает отметку о том, что данный поток должен быть активизирован, когда соответствующий ресурс освободится. Поток, который в это время использует данный ресурс, после выхода из критической секции должен выполнить системную функцию LeaveCriticalSection(), в результате чего блокирующая переменная принимает значение, соответствующее свободному состоянию ресурса (F(D) - 1), а операционная система просматривает очередь ожидающих этот ресурс потоков и переводит первый поток из очереди в состояние готовности.

Рис. 6.1.4. Реализация взаимного исключения с использованием системных функций входа в критическую секцию и выхода из нее

Таким образом исключается непроизводительная потеря процессорного времени на циклическую проверку освобождения занятого ресурса. Однако в тех случаях, когда объем работы в критической секции небольшой и существует высокая вероятность в очень скором доступе к разделяемому ресурсу, более предпочтительным может оказаться использование блокирующих переменных. Действительно, в такой ситуации накладные расходы ОС по реализации функции входа в критическую секцию и выхода из нее могут превысить полученную экономию.

Семафоры - СЕМАФОРНЫЕ ПРИМИТИВЫ ДЕЙКСТРА

Обобщением блокирующих переменных являются так называемые семафоры Дийкстры. Вместо двоичных переменных Дийкстра (Dijkstra) предложил использовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процессов, получили название семафоров.

Для работы с семафорами вводятся два примитива, традиционно обозначаемых Р и V. Пусть переменная S представляет собой семафор. Тогда действия V(S) и P(S) определяются следующим образом.

§ V(S): переменная S увеличивается на 1 единым действием. Выборка, наращивание и запоминание не могут быть прерваны. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

§ PCS): уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0 и невозможно уменьшить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.

Никакие прерывания во время выполнения примитивов V и Р недопустимы.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную, которую по этой причине часто называют двоичным семафором. Операция Р заключает в себе потенциальную возможность перехода потока, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как операция V может при некоторых обстоятельствах активизировать другой поток, приостановленный операцией Р.

Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух выполняющихся в режиме мультипрограммирования потоков, один из которых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула. Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. В общем случае поток-писатель и поток-читатель могут иметь различные скорости и обращаться к буферному пулу с переменой интенсивностью. В один период скорость записи может превышать скорость чтения, в другой — наоборот. Для правильной совместной работы поток-писатель должен приостанавливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, поток-читатель должен приостанавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи.

Введем два семафора: е — число пустых буферов, и f — число заполненных буферов, причем в исходном состоянии е =N, a f =0. Тогда работа потоков с общим буферным пулом может быть описана следующим образом (рис. 6.1.5).

Поток-писатель прежде всего выполняет операцию Р(е), с помощью которой он проверяет, имеются ли в буферном пуле незаполненные буферы. В соответствии с семантикой операции Р, если семафор е равен 0 (то есть свободных буферов в данный момент нет), то поток-писатель переходит в состояние ожидания. Если же значением е является положительное число, то он уменьшает число свободных буферов, записывает данные в очередной свободный буфер и после этого наращивает число занятых буферов операцией V(f). Поток-читатель действует аналогичным образом, с той разницей, что он начинает работу с проверки наличия заполненных буферов, а после чтения данных наращивает количество свободных буферов.

Рис. 6.1.5. Использование семафоров для синхронизации потоков

В данном случае предпочтительнее использовать семафоры вместо блокирующих переменных. Действительно, критическим ресурсом здесь является буферный пул, который может быть представлен как набор идентичных ресурсов — отдельных буферов, а значит, с буферным пулом могут работать сразу несколько потоков, и именно столько, сколько буферов в нем содержится. Использование двоичной переменной не позволяет организовать доступ к критическому ресурсу более чем одному потоку. Семафор же решает задачу синхронизации более гибко, допуская к разделяемому пулу ресурсов заданное количество потоков. Так, в нашем примере с буферным пулом могут работать максимум N потоков, часть из которых может быть «писателями», а часть — «читателями».

Таким образом, семафоры позволяют эффективно решать задачу синхронизации Доступа к ресурсным пулам, таким, например, как набор идентичных в функциональном назначении внешних устройств (модемов, принтеров, портов), или набор областей памяти одинаковой величины, или информационных структур. Во всех этих и подобных им случаях с помощью семафоров можно организовать доступ к разделяемым ресурсам сразу нескольких потоков.

Тупики

Приведенный выше пример позволяет также проиллюстрировать еще одну проблему синхронизации — взаимные блокировки, называемые также дедлоками (deadlocks), клинчами (clinch), или тупиками. Покажем, что если переставить местами операции Р(е) и Р(b) в потоке-писателе, то при некотором стечении обстоятельств эти два потока могут взаимно блокировать друг друга, Итак, пусть поток-писатель начинает свою работу с проверки доступности критической секции — операции Р(b), и пусть он первым войдет в критическую секцию. Выполняя операцию Р(е), он может обнаружить отсутствие свободных буферов и перейти в состояние ожидания. Как уже было показано, из этого состояния его может вывести только поток-читатель, который возьмет очередную запись из буфера. Но поток-читатель не сможет этого сделать, так как для этого ему потребуется войти в критическую секцию, вход в которую заблокирован потоком-писателем. Таким образом, ни один из этих потоков не может завершить начатую работу и возникнет тупиковая ситуация, которая не может разрешиться без внешнего воздействия.

Рассмотрим еще один пример тупика. Пусть двум потокам, принадлежащим разным процессам и выполняющимся в режиме мультипрограммирования, для выполнения их работы нужно два ресурса, например принтер и последовательный порт. Такая ситуация может возникнуть, например, во время работы приложения, задачей которого является распечатка информации, поступающей по модемной связи.

На рис. 6.1.6, а показаны фрагменты соответствующих программ. Поток А запрашивает сначала принтер; а затем порт, а поток В запрашивает устройства в обратном порядке. Предположим, что после того, как ОС назначила принтер потоку А и установила связанную с этим ресурсом блокирующую переменную, поток А был прерван. Управление получил поток В, который сначала выполнил запрос на получение СОМ- порта, затем при выполнении следующей команды был заблокирован, так как принтер оказался уже занятым потоком А. Управление снова получил поток А, который в соответствии со своей программой сделал попытку занять порт и был заблокирован, поскольку порт уже выделен потоку В. В таком положении потоки А и В могут находиться сколь угодно долго.

В зависимости от Соотношения скоростей потоков они могут либо взаимно блокировать друг друга (рис. 6.1.6, б), либо образовывать очереди к разделяемым ресурсам (рис. 6.1.6, в), либо совершенно независимо использовать разделяемые ресурсы (рис. 6.1.6, г).

Рис. 6.1.6. Возникновение взаимных блокировок при выполнении программы

В рассмотренных примерах тупик был образован двумя потоками, но взаимно блокировать друг друга может и большее число потоков. Невозможность потоков завершить начатую работу из-за возникновения взаимных блокировок снижает производительность вычислительной системы. Поэтому проблеме предотвращения тупиков уделяется большое внимание. На тот случай, когда взаимная блокировка все же возникает, система должна предоставить администратору-оператору средства, с помощью которых он смог бы распознать тупик, отличить его от обычной блокировки из-за временной недоступности ресурсов. И наконец, если тупик диагностирован, то нужны средства для снятия взаимных блокировок и восстановления нормального вычислительного процесса.

Тупики могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы тупик не мог возникнуть при любом соотношении взаимных скоростей потоков. Так, если бы в примере, показанном на рис. 6.1.6, поток А и поток В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупик был бы в принципе невозможен. Другой, более гибкий подход к предотвращению тупиков заключается в том, что ОС каждый раз при запуске задач анализирует их потребности в ресурсах и определяет, может ли в данной мультипрограммной смеси возникнуть тупик. Если да, то запуск новой задачи временно откладывается. ОС может также использовать определенные правила при назначении ресурсов потокам, например, ресурсы могут выделяться операционной системой в определенной последовательности, общей для всех потоков.

В тех же случаях, когда тупиковую ситуацию не удалось предотвратить, важно быстро и точно ее распознать, поскольку блокированные потоки не выполняют никакой полезной работы. Если тупиковая ситуация образована множеством потоков, занимающих массу ресурсов, распознавание тупика является нетривиальной задачей. Существуют формальные, программнореализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки.

Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные потоки, можно снять только часть из них, освободив ресурсы, ожидаемые остальными потоками, можно вернуть некоторые потоки в область подкачки, можно совершить - «откат» некоторых потоков до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в тех местах, после которых возможно возникновение тупика.

6.2 Понятие событийного программирования. Средства обработки сигналов.

Рассмотренные выше механизмы синхронизации, основанные на использовании глобальных переменных процесса, обладают существенным недостатком — они не подходят для синхронизации потоков разных процессов. В таких случаях операционная система должна предоставлять потокам системные объекты синхронизации, которые были бы видны для всех потоков, даже если они принадлежат _/ разным процессам и работают в разных адресных пространствах.

Примерами таких синхронизирующих объектов ОС являются системные семафоры, мьютексы, события, таймеры и другие — их набор зависит от конкретной ОС, которая создает эти объекты по запросам процессов. Чтобы процессы могли разделять синхронизирующие объекты, в разных ОС используются разные методы. Некоторые ОС возвращают указатель на объект. Этот указатель может быть доступен всем родственным Процессам, наследующим характеристики общего родительского процесса. В других ОС процессы в запросах на создание объектов синхронизации указывают имена, которые должны быть им присвоены. Далее эти имена используются разными процессами для манипуляций объектами синхронизации. В таком, случае работа с синхронизирующими объектами подобна работе с файлами. Их можно создавать, открывать, закрывать, уничтожать.

Кроме того, для синхронизации могут быть использованы такие «обычные» объекты ОС, как файлы, процессы и потоки. Все эти объекты могут находиться в двух состояниях: сигнальном и несигнальном — свободном. Для Каждого объекта смысл, вкладываемый в понятие «сигнальное состояние», зависит от типа объекта. Так, например, поток переходит в сигнальное состояние тогда, когда он завершается. Процесс переходит в сигнальное состояние тогда, когда завершаются все его потоки. Файл переходит в сигнальное состояние в том случае, когда завершается операция ввода-вывода для этого файла. Для остальных объектов сигнальное состояние устанавливается в результате выполнения специальных системных вызовов. Приостановка и активизация потоков осуществляются в зависимости от состояния синхронизирующих объектов ОС.

Потоки с помощью специального системного вызова сообщают операционной системе о том, что они хотят синхронизировать свое выполнение с состоянием некоторого объекта. Будем далее называть этот системный вызов Wait(X), где X — указатель на объект синхронизации. Системный вызов, с помощью которого поток может перевести объект синхронизации в сигнальное состояние, назовем Set(X).

Поток, выполнивший системный вызов Wait(X), переводится операционной системой в состояние ожидания до тех пор, пока объект X не перейдет в сигнальное состояние. Примерами системных вызовов типа Wait() и Set() являются вызовы WaitForSingleObject() и SetEvent() в Windows NT, DosSenWait() и OosSemSet() в OS/2, sleep() и wakeup() в UNIX.

Поток может ожидать установки сигнального состояния не одного объекта, а нескольких. При этом поток может попросить ОС активизировать его при установке либо одного из указанных объектов, либо всех объектов. Поток может в качестве аргумента системного вызова Wait() указать также максимальное время, которое он будет ожидать перехода объекта в сигнальное состояние, после чего ОС должна его активизировать в любом случае. Может случиться, что установки некоторого объекта в сигнальное состояние ожидают сразу несколько потоков. В зависимости от объекта синхронизации в состояние готовности могут переводиться либо все ожидающие это событие потоки, либо один из них.

Синхронизация тесно связана с планированием потоков, Во-первых, любое обращение потока с системным вызовом Wait(X) влечет за собой действия в подсистеме планирования — этот поток снимается с выполнения и помещается в очередь ожидающих потоков, а из очереди готовых потоков выбирается и активизируется новый поток. Во-вторых, при переходе объекта в сигнальное состояние (в результате выполнения некоторого потока — либо системного, либо прикладного) ожидающий этот объект поток (или потоки) переводится в очередь готовых к выполнению потоков. В обоих случаях осуществляется перепланирование потоков, при этом если в ОС предусмотрены изменяемые приоритеты и/или кванты времени, то они пересчитываются по правилам, принятым в этой операционной системе.

Рассмотрим несколько примеров, когда в качестве синхронизирующих объектов используются файлы, потоки и процессы.

Пусть программа приложения построена так, что для выполнения запросов, поступающих из сети, основной поток создает вспомогательные серверные потоки.

При поступлении от пользователя команды завершения приложения основной поток должен дождаться завершения всех серверных потоков и только после этого завершиться сам. Следовательно, процедура завершения должна включать вызов Wait(Xl, Х2, ...), где XI, Х2 — указатели на серверные потоки. В результате выполнения данного системного вызова основной поток будет переведен в состояние ожидания и останется в нем до тех пор, пока все серверные потоки не перейдут в сигнальное состояние, то есть завершатся. После этого OG переведет основной поток в состояние готовности. При получении доступа к процессору основной поток завершится.

Другой пример. Пусть выполнение некоторого приложения требует последовательных работ-этапов. Для каждого этапа имеется свой отдельный процесс. Сигналом для начала работы каждого следующего процесса является завершение предыдущего. Для реализации такой логики работы необходимо в каждом процессе, кроме первого, предусмотреть выполнение системного вызова Wait(X), в котором синхронизирующим объектом является предшествующий поток.

Объект-файл, переход которого в сигнальное состояние соответствует завершению операции ввода-вывода с этим файлом, используется в тех случаях, когда поток, инициировавший эту операцию, решает дождаться ее завершения, прежде чем продолжить свои вычисления.

Однако круг событий, е которыми потоку может потребоваться синхронизировать свое выполнение, отнюдь не исчерпывается завершением потока, процесса иди операции ввода-вывода. Поэтому в ОС, как правило, имеются и другие, более универсальные объекты синхронизации, такие как событие (event), мъютекс (nmtex), системный семафор и другие.

Мьютекс, как и семафор, обычно используется для управления доступом к данным.

В отличие от объектов-потоков, объектов-процессов и объектов-файлов, которые при переходе в сигнальное состояние переводят в состояние готовности все потоки, ожидающие этого события, объект - мьютекс «освобождает» из очереди ожидающих только один поток.

Работа мьютекса хорошо поясняется в терминах «владения». Пусть поток, который, пытаясь получить доступ к критическим данным, выполнил системный вызов Wait(X), где X — указатель на мьютекс. Предположим, что мьютекс находится в сигнальном состоянии, в этом случае поток тут же становится его владельцем, устанавливая его в несигнальное состояние, и входит в критическую секцию. После того как поток выполнил работу с критическими данными, он «отдает» мьютекс, устанавливая его в сигнальное состояние. В этот момент мьютекс свободен и не принадлежит ни одному потоку. Если какой-либо поток ожидает его освобождения, то он становится следующим владельцем этого мьютекса, одновременно мьютекс переходит в несигнальное состояние.

Объект-событие (в данном случае слово «событие» используется в узком смысле, как обозначение конкретного вида объектов синхронизации) обычно используется не для доступа к данным, а для того, чтобы оповестить другие потоки о том, что некоторые действия завершены. Пусть, например, в некотором приложении работа организована таким образом, что один поток читает данные из файла в буфер памяти, а другие потоки обрабатывают эти данные, затем первый поток считывает новую порцию данных, а другие потоки снова ее обрабатывают и так далее. В начале работы первый поток устанавливает объект-событие в несигнальное состояние. Все остальные потоки выполнили вызов Wait(X), где X — указатель события, и находятся в приостановленном состоянии, ожидая наступления этого события. Как только буфер заполняется, первый поток сообщает об этом операционной системе, выполняя вызов Set(X). Операционная система просматривает очередь ожидающих потоков и активизирует все потоки, которые ждут этого события.

Сигналы

Сигнал дает возможность задаче реагировать на событие, источником которого может быть операционная система или другая задача. Сигналы вызывают прерывание задачи и выполнение заранее предусмотренных Действий. Сигналы могут вырабатываться синхронно, то есть как результат работы самого процесса, а могут быть направлены процессу другим процессом; то есть вырабатываться асинхронно. Синхронные сигналы чаще всего приходят от системы прерываний процессора и свидетельствуют о действиях процесса, блокируемых аппаратурой, например деление на нуль, ошибка адресации, нарушение защиты памяти и т. д.

Примером асинхронного сигнала является сигнал с терминала. Во многих ОС предусматривается оперативное снятие процесса с выполнений. Для этого пользователь может нажать некоторую комбинацию клавиш (Ctrl+C, Ctrl+Break), в результате чего ОС вырабатывает сигнал и направляет его активному процессу. Сигнал может поступить в любой момент выполнения процесса (то есть он является асинхронным), требуя от процесса немедленного завершения работы. В данном случае реакцией на сигнал является безусловное завершение процесса.

В системе может быть определен набор сигналов. Программный код процесса, которому поступил сигнал, может либо проигнорировать его, либо прореагировать на него стандартным действием (например, завершиться), либо выполнить специфические действия, определенные прикладным программистом. В последнем случае в программном коде необходимо предусмотреть специальные системные вызовы, с помощью которых операционная система информируется, какую процедуру надо выполнить в ответ на поступление того или иного сигнала.

Сигналы обеспечивают логическую связь между процессами, а также между процессами и пользователями (терминалами). Поскольку посылка сигнала предусматривает знание идентификатора процесса, то взаимодействие посредством сигналов возможно только между родственными процессами, которые могут получить данные об идентификаторах друг друга.

В распределенных системах, состоящих из нескольких процессоров, каждый из которых имеет собственную оперативную память, блокирующие переменные, семафоры, сигналы и другие аналогичные средства, основанные на разделяемой памяти, оказываются непригодными. В таких системах синхронизация может быть реализована только посредством обмена сообщениями.
ЛЕКЦИЯ 6

Тема 7 Управление памятью

Функции ОС по управлению памятью

Под памятью (memory) здесь подразумевается оперативная память компьютера. В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней памятью (storage), оперативной памяти для сохранения информации требуется постоянное электропитание.

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнять инструкции протравы только в том случае, если они находятся в памяти. Память распределяется как между модулями прикладных программ, так и между модулями самой операционной системы.

В ранних ОС управление памятью сводилось просто к загрузке программы и ее данных из некоторого внешнего накопителя (перфоленты, магнитной ленты или магнитного диска) в память. С появлением мультипрограммирования перед ОС были поставлены новые задачи, связанные с распределением имеющейся памяти между несколькими одновременно выполняющимися программами.

Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются:

§ отслеживание свободной и занятой памяти;

§ выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов;

§ вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;

§ настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Помимо первоначального выделения памяти процессам при их создании ОС должна также заниматься динамическим распределением памяти, то есть выполнять запросы приложений на выделение им дополнительной памяти во время выполнения. После того как приложение перестает нуждаться в дополнительной памяти, оно может возвратить ее системе. Выделение памяти случайной длины в случайные моменты времени из общего пула памяти приводит к фрагментации и, вследствие этого, к неэффективному ее использованию. Дефрагментация памяти тоже является функцией операционной системы.

Защита памяти — это еще одна важная задача операционной системы, которая состоит в том, чтобы не позволить выполняемому процессу записывать или читать данные из памяти, назначенной другому процессу. Эта функция, как правило, реализуется программными модулями ОС в тесном взаимодействии с аппаратными средствами.

7.1 Алгоритмы распределения памяти. Распределение памяти фиксированными разделами. Распределение памяти динамическими разделами. Перемещаемые разделы.

Алгоритмы распределения памяти

Следует ли назначать каждому процессу одну непрерывную область физической памяти или можно выделять память «кусками»? Должны ли сегменты программы, загруженные в память, находиться на одном месте в течение всего периода выполнения процесса или можно ее время от времени сдвигать? Что делать, если сегменты программы не помещаются в имеющуюся память? Разные ОС по-разному отвечают на эти и другие базовые вопросы управления памятью. Далее будут рассмотрены наиболее общие подходы к распределению памяти, которые были характерны для разных периодов развития операционных систем. Некоторые из них сохранили актуальность и широко используются в современных ОС, другие же представляют в основном только познавательный интерес, хотя их и сегодня можно встретить в специализированных системах.

На рис. 7.2.1 все алгоритмы распределения памяти разделены на два класса: алгоритмы, в которых используется перемещение сегментов процессов между оперативной памятью и диском, и алгоритмы, в которых внешняя память не привлекается.

Рис. 7.2.1. Классификация методов распределения памяти

Распределение памяти фиксированными разделами

Простейший способ управления оперативной памятью состоит в том, что память разбивается на несколько областей фиксированной величины, называемых разделами. Такое разбиение может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее установки. После этого границы разделов не изменяются.

Очередной новый процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь (рис. 7.2.2, а), либо в очередь к некоторому разделу (рис. 7.2.2, 6).

Рис. 7.2.2 Распределение памяти фиксированными разделами: с общей очередью (а), с отдельными очередями (б)

Подсистема управления памятью в этом случае выполняет следующие задачи:

§ Сравнивает объем памяти, требуемый для вновь поступившего процесса, с размерами свободных разделов и выбирает подходящий раздел;

§ Осуществляет загрузку программы в один из разделов и настройку адресов. Уже на этапе трансляции разработчик программы может задать раздел, в котором ее следует выполнять. Это позволяет сразу, без использования перемещающего загрузчика, получить машинный код, настроенный на конкретную область памяти.

При очевидном преимуществе — простоте реализации, данный метод имеет существенный недостаток — жесткость. Так как в каждом разделе может выполняться только один процесс, то уровень мультипрограммирования заранее ограничен числом разделов. Независимо от размера программы она будет занимать весь раздел. Так, например, в системе с тремя разделами невозможно выполнять одновременно более трех процессов, даже если им требуется совсем мало памяти. С другой стороны, разбиение памяти на разделы не позволяет выполнять процессы, программы которых не помещаются ни в один из разделов, но для которых было бы достаточно памяти нескольких разделов.

Такой способ управления памятью применялся в ранних мультипрограммных ОС. Однако и сейчас метод распределения памяти фиксированными разделами находит применение в системах реального времени, в основном благодаря небольшим затратам на реализацию. Детерминированность вычислительного процесса систем реального времени (заранее известен набор выполняемых задач, их требования к памяти, а иногда и моменты запуска) компенсирует недостаточную гибкость данного способа управления памятью.

Распределение памяти динамическими разделами

В этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память, отводимая для приложений, свободна. Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается). После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. На рис. 7.3.2 показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения. Так, в момент t₀ в памяти находится только ОС, а к моменту t₁ память разделена между 5 процессами, причем процесс П4, завершаясь, покидает память. На освободившееся от процесса П4 место загружается процесс П6, поступивший в момент t₃.

Функции операционной системы, предназначенные для реализации данного метода управления памятью, перечислены ниже.

§ Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.

§ При создании нового процесса — анализ требований к памяти, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».

§ Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.

§ После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

Рис. 7.1.3. Распределение памяти динамическими разделами

По сравнению с методом распределения памяти фиксированными разделами данный метод обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток — фрагментация памяти. Фрагментация — это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Настолько маленького, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Распределение памяти динамическими разделами лежит в основе подсистем управления памятью многих мультипрограммных операционных системах 60-70-х годов, в частности такой популярной операционной системы, как OS/360.

Перемещаемые разделы

Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вея свободная память образовала единую свободную область (рис. 7.2.4). В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти динамическими разделами* в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором — реже выполняется процедура сжатия.

Рис. 7.1.4. Распределение памяти перемещаемыми разделами

Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то в данном случае невозможно выполнить настройку адресов с помощью перемещающего загрузчика. Здесь более подходящим оказывается динамическое преобразование адресов.

Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.

Концепция сжатия применяется и при использовании других методов распределения памяти, когда отдельному процессу выделяется не одна сплошная область памяти, а несколько несмежных участков памяти произвольного размера (сегментов). Такой подход был использован в ранних версиях OS/2, в которых память распределялась сегментами, а возникавшая при этом фрагментация устранялась путем периодического перемещения сегментов.

7.2 Страничное распределение. Сегментное распределение. Сегментно-страничное распределение. Совместное использование памяти. Защита памяти.

Страничное распределение

На рис. 7.2.1 показана схема страничного распределения памяти. Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами (virtual pages). В общем случае размер виртуального адресного пространства процесса не кратен размеру страницы, поэтому последняя страница каждого процесса дополняется фиктивной областью.

Вся оперативная память машины также делится на части такого же размера, называемые физическими страницами (или блоками, или кадрами). Размер страницы выбирается равным степени двойки: 512, 1024, 4096 байт и т. д. Это позволяет упростить механизм преобразования адресов.

Рис. 7.2.1. Страничное распределение памяти

При создании процесса ОС загружает в оперативную память несколько его виртуальных страниц (начальные страницы кодового сегмента и сегмента данных). Копия всего виртуального адресного пространства процесса находится на диске. Смежные виртуальные страницы не обязательно располагаются в смежных физических страницах. Для каждого процесса операционная система создает таблицу страниц — информационную структуру, содержащую записи обо всех виртуальных страницах процесса.

Запись таблицы, называемая дескриптором страницы, включает следующую информацию:

§ номер физической страницы, в которую загружена данная виртуальная страница;

§ признак присутствия, устанавливаемый в единицу, если виртуальная страница находится в оперативной памяти;

§ признак модификации страницы, который устанавливается в единицу всякий раз, когда производится запись по адресу, относящемуся к данной странице;

§ признак обращения к странице, называемый также битом доступа, который устанавливается в единицу при каждом обращении по адресу, относящемуся к данной странице.

Признаки присутствия, модификации и обращения в большинстве моделей современных процессоров устанавливаются аппаратно, схемами процессора при выполнении операции с памятью. Информация из таблиц страниц используется для решения вопроса о необходимости перемещения той или иной страницы между памятью и диском, а также для преобразования виртуального адреса в физический. Сами таблицы страниц, так же как и описываемые ими страницы, размещаются в оперативной памяти. Адрес таблицы страниц включается в контекст соответствующего процесса. При активизации очередного процесса операционная система загружает адрес его таблицы страниц в специальный регистр процессора.

При каждом обращении к памяти выполняется поиск номера виртуальной страницы, содержащей требуемый адрес, затем по этому номеру определяется нужный элемент таблицы страниц, и из него извлекается описывающая страницу информация. Далее анализируется признак присутствия, и, если данная виртуальная страница находится в оперативной памяти, то выполняется преобразование виртуального адреса в физический, то есть виртуальный адрес заменяется указанным в записи таблицы физическим адресом. 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 процессов, находящихся в состоянии готовности. Параллельно программа обработки страничного прерывания находит на диске требуемую виртуальную страницу (для этого операционная система должна помнить положение вытесненной страницы в страничном файле диска) и пытается загрузить ее в оперативную память. Если в памяти имеется свободная физическая страница, то загрузка выполняется немедленно, если же свободных страниц нет, то на основании принятой в данной системе стратегии замещения страниц решается вопрос о том, какую страницу следует выгрузить из оперативной памяти.

После того как выбрана страница, которая должна покинуть оперативную память, обнуляется ее бит присутствия и анализируется ее признак модификации. Если выталкиваемая страница за время последнего пребывания в оперативной памяти была модифицирована, то ее новая версия должна быть переписана на диск. Если нет, то принимается во внимание, что на диске уже имеется предыдущая копия этой виртуальной страницы, и никакой записи на диск не производится. Физическая страница объявляется свободной. Из соображений безопасности в некоторых системах освобождаемая страница обнуляется, с тем чтобы невозможно было использовать содержимое выгруженной страницы.

Для хранения информации о положении вытесненной страницы в страничном файле ОС может использовать поля таблицы страниц или же другую системную структуру данных (например, дескриптор сегмента при сегментно-страничной организации виртуальной памяти).

Виртуальный адрес при страничном распределении может быть представлен в виде пары (р, s_v), где р — порядковый номер виртуальной страницы процесса (нумерация страниц начинается с 0), a s_v — смещение в пределах виртуальной страницы. Физический адрес также может быть представлен в виде пары (n, s_f), где n — номер физической страницы, a s_f — смещение в пределах физической страницы. Задача подсистемы виртуальной памяти состоит в отображении (р, s_v) в (n, s_f).

Прежде чем приступить к рассмотрению схемы преобразования виртуального адреса в физический, остановимся на двух базисных свойствах страничной организации.

Первое из них состоит в том, что объем страницы выбирается равным степени двойки — 2^k. Из этого следует, что смещение s может быть получено простым отделением k младших разрядов в двоичной записи адреса, а оставшиеся старшие разряды адреса представляют собой двоичную запись номера страницы (при этом неважно, является страница виртуальной или физической). Например, если размер страницы 1 Кбайт (2¹⁰), то из двоичной записи адреса 5071₈ = 101 000 111 001₂ можно определить, что он принадлежит странице, номер которой в двоичном выражении равен 10₂ и смещен относительно ее начала на 1 000 111 001₂ байт (рис. 8.4.2).

Рис. 7.2.2. Двоичное представление адресов

Из рисунка хорошо видно, что номер страницы и ее начальный адрес легко могут быть получены один из другого дополнением или отбрасыванием k нулей, соответствующих смещению. Именно по этой причине часто говорят, что таблица страниц содержит начальный физический адрес страницы в памяти (а не номер физической страницы), хотя на самом деле в таблице указаны только старшие разряды адреса. Начальный адрес страницы называется базовым адресом.

Второе свойство заключается в том, что в пределах страницы непрерывная последовательность виртуальных адресов однозначно отображается в непрерывную последовательность физических адресов, а значит, смещения в виртуальном и физическом адресах s_v и s_f равны между собой (рис. 7.2.3).

Рис. 7.2.3. При отображении виртуального адреса в физический смещение не изменяется

Отсюда следует простая схема преобразования виртуального адреса в физический (рис. 8.4.4). Младшие разряды физического адреса, соответствующие смещению, получаются переносом такого же количества младших разрядов из виртуального адреса. Старшие разряды физического адреса, соответствующие номеру физической страницы, определяются из таблицы страниц, в которой указывается соответствие виртуальных и физических страниц.

Итак, пусть произошло обращение к памяти по некоторому виртуальному адресу. Аппаратными схемами процессора выполняются следующие действия:

1. Из специального регистра процессора извлекается адрес AT таблицы страниц активного процесса. На основании начального адреса таблицы страниц, номера виртуальной страницы р (старшие разряды виртуального адреса) и длины отдельной записи в таблице страниц L (системная константа) определяется адрес нужного дескриптора в таблице страниц: a=AT+(pxL).

2. Из этого дескриптора извлекается номер соответствующей физической страницы — n.

3. К номеру физической страницы присоединяется смещение s (младшие разряды виртуального адреса).

Типичная машинная инструкция требует 3-4 обращений к памяти (выборка команды, извлечение операндов, запись результата). И при каждом обращении происходит либо преобразование виртуального адреса в физический, либо обработка страничного прерывания. Время выполнения этих операций в значительной степени влияет на общую производительность вычислительной системы, поэтому столь большое внимание разработчиков уделяется оптимизации виртуальной памяти.

Рис. 7.2.4.Схема преобразования виртуального адреса в физический при страничной организации памяти

Именно для уменьшения времени преобразования адресов во всех процессорах предусмотрен аппаратный механизм получения физического адреса по виртуальному. С той же целью размер страницы выбирается равным степени двойки, благодаря чему двоичная запись адреса легко разделяется на номер страницы и смещение, и в результате в процедуре преобразования адресов более длительная операция сложения заменяется операцией присоединения (конкатенации). Используются и другие способы ускорения преобразования, такие, например, как кэширование таблицы страниц — хранение наиболее активно используемых записей в быстродействующих запоминающих устройствах, в частности в регистрах процессора.

Другим важным фактором, влияющим на производительность системы, является частота страничных прерываний, на которую, в свою очередь, влияют размер страницы и принятые в данной системе правила выбора страниц для выгрузки и загрузки. При неправильно выбранной стратегии замещения страниц могут возникать ситуации, когда система тратит большую часть времени впустую, на подкачку страниц из оперативной памяти на диск и обратно.

При выборе страницы на выгрузку могут быть использованы различные критерии, смысл которых сводится к одному: на диск выталкивается страница, к которой в будущем начиная с данного момента дольше всего не будет обращений. Поскольку точно предсказать ход вычислительного процесса невозможно, то невозможно точно определить страницу, подлежащую выгрузке. В таких условиях решение принимается на основе неких эмпирических критериев, часто основывающихся на предположении об инерционности вычислительного процесса. Так, например, из того, что страница не использовалась долгое время, делается вывод о том, что она, скорее всего, не будет использоваться и в ближайшее время. Однако привлечение критериев такого рода не исключает ситуаций, когда сразу после выгрузки страницы к ней происходит обращение и она снова должна быть загружена в память. Вероятность таких «напрасных» перемещений настолько велика, что в некоторых реализациях виртуальной памяти вообще отказываются от количественных критериев и предпочитают случайный выбор, при котором на диск выгружается первая попавшаяся страница. Возникающее при этом некоторое увеличение интенсивности страничного обмена компенсируется снижением вычислительных затрат на поддержание и анализ критерия выборки страниц на выгрузку.

Наиболее популярным критерием выбора страницы на выгрузку является число обращений к ней за последний период времени. Вычисление этого критерия происходит следующим образом. Операционная система ведет для каждой страницы программный счетчик. Значения счетчиков определяются значениями признаков доступа. Всякий раз, когда происходит обращение к какой-либо странице, процессор устанавливает в единицу признак доступа в относящейся к данной странице записи таблицы страниц. ОС периодически просматривает признаки доступа всех страниц во всех существующих в данный момент записях таблицы страниц. Если какой-либо признак оказывается равным 1 (было обращение), то система сбрасывает его в 0, увеличивая при этом на единицу значение связанного с этой страницей счетчика обращений. Когда возникает необходимость удалить какую-либо страницу из памяти, ОС находит страницу, счетчик обращений которой имеет наименьшее значение. Для того чтобы критерий учитывал интенсивность обращений за последний период, ОС с соответствующей периодичностью обнуляет все счетчики.

Интенсивность страничного обмена может быть также снижена в результате так называемой упреждающей загрузки, в соответствии с которой при возникновении страничного прерывания в память загружается не одна страница, содержащая адрес обращения, а сразу несколько прилегающих к ней страниц. Здесь используется эмпирическое правило: если обращение произошло по некоторому адресу, то велика вероятность того, что следующие обращения произойдут по соседним адресам.

Другим важным резервом повышения производительности системы является правильный выбор размера страницы. С одной стороны, чтобы уменьшить частоту страничных прерываний, следовало бы увеличивать размер страницы. С другой стороны, если страница велика, то велика и фиктивная область в последней виртуальной странице каждого процесса. Если учесть, что в среднем в каждом процессе фиктивная область составляет половину страницы, то в сумме при большом объеме страницы потери могут составить существенную величину. Из приведенных соображений еледует, что выбор размера страницы является сложной оптимизационной задачей, требующей учета многих факторов. На практике же разработчики ОС и процессоров ограничиваются неким рациональным решением, пригодным для широкого класса вычислительных систем. Типичный размер страницы составляет несколько килобайт, например, наиболее распространенные процессоры х86 и Pentium компании Intel, а также операционные системы, устанавливаемые на этих процессорах, поддерживают страницы размером 4096 байт (4 Кбайт).

Размер страницы влияет также на количество записей в таблицах страниц. Чем меньше страница, тем более объемными являются таблицы страниц процессов и тем больше места они занимают в памяти. Учитывая, что в современных процессорах максимальный объем виртуального адресного пространства процесса, как правило, не меньше 4 Гбайт (2³²), то при размере страницы 4 Кбайт (2¹²) и длине записи 4 байта для хранения таблицы страниц может потребоваться 4 Мбайт памяти! Выходом в такой ситуации является хранение в памяти только той части таблицы страниц, которая активно используется в данный период времени — так как сама таблица страниц хранится в таких же страницах физической памяти, что и описываемые ею страницы, то принципиально возможно временно вытеснять часть таблицы страниц из оперативной памяти.

Именно такой результат может быть достигнут путем более сложной структуризации виртуального адресного пространства, при котором все множество виртуальных адресов процесса делится на разделы, а разделы делятся на страницы (рис. 8.4.5). Все страницы имеют одинаковый размер, а разделы содержат одинаковое количество страниц. Если размер страницы и количество страниц в разделе выбрать равными степени двойки (2^k и 2" соответственно), то принадлежность виртуального адреса к разделу и странице, а также смещение внутри страницы можно определить очень просто: младшие k двоичных разрядов дают смещение, следующие п разрядов представляют собой номер виртуальной страницы, а оставшиеся старшие разряды (обозначим их количество т) содержат номер раздела.

Для каждого раздела строится собственная таблица страниц. Количество дескрипторов в таблице и их размер подбираются такими, чтобы объем таблицы оказался равным объему страницы. Например, в процессоре Pentium при размере страницы 4 Кбайт длина дескриптора страницы составляет 4 байта и количество записей в таблице страниц, помещающейся на страницу, равняется соответственно 1024. Каждая таблица страниц описывается дескриптором, структура которого полностью совпадает со структурой дескриптора обычной страницы. Эти дескрипторы сведены в таблицу разделов, называемую также каталогом страниц. Физический адрес таблицы разделов активного процесса содержится в специальном регистре процессора и поэтому всегда известен операционной системе. Страница, содержащая таблицу разделов, никогда не выгружается из памяти, в противном случае работа виртуальной памяти была бы невозможна.

Выгрузка страниц с таблицами страниц позволяет сэкономить память, но при этом приводит к дополнительным временным затратам при получении физического адреса. Действительно, может случиться так, что та таблица страниц, которая содержит нужный дескриптор, в данный момент выгружена на диск, тогда процесс преобразования адреса приостанавливается до тех пор, пока требуемая страница не будет снова загружена в память. Для уменьшения вероятности отсутствия страницы в памяти используются различные приемы, основным из которых является кэширование.