Материал: ОСиС. Лабораторная работа 10
Федеральное агентство связи ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА» (СПбГУТ)
Факультет инфокоммуникационных сетей и систем Кафедра программной инженерии и вычислительной техники
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10 по дисциплине «Операционные системы и сети»
на тему «Моделирование системы»
Выполнил: студент 3-го курса дневного отделения группы ИКПИ-85
Коваленко Леонид Александрович Преподаватель:
доцент кафедры ПИиВТ Дагаев Александр Владимирович
Санкт-Петербург 2020
Цель работы Разработать программу, моделирующую стратегии замещения страниц
в оперативной памяти.
Постановка задачи Написать программу, моделирующую стратегии замещения страниц в
оперативной памяти, и продемонстрировать ее работу. Теоретическая часть
Работа выполняется в операционной системе Linux Debian. Страничная память — способ организации виртуальной памяти, при
котором единицей отображения виртуальных адресов на физические является регион постоянного размера (т. н. страница). Типичный размер страницы — 4096 байт, для некоторых архитектур — до 128 КБ.
На рис. 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.
Рисунок 1 — Страничное распределение памяти 2
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. Операционная система при создании процесса 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.
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. 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
3
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. При страничной организации памяти есть 2 проблемы: 1) таблица страниц может быть слишком большой; 2) отображение страниц должно быть быстрым.
Конечно же при работе с памятью возникают исключительные ситуации, которые ОС должна как-то обрабатывать. Например нет нужной страницы в памяти или мы пытаемся обратиться к странице, к которой доступ запрещен. В данном случае при такой попытке обращения к виртуальной странице памяти возникает исключительная ситуация именуемая «страничным нарушением» или «отказом страницы» (page fault). Страничное нарушение может происходить в самых разных случаях: при отсутствии страницы в оперативной памяти, при попытке записи в страницу с атрибутом «только чтение» или при попытке чтения или записи страницы с атрибутом «только выполнение». В любом из этих случаев вызывается обработчик страничного нарушения, являющийся частью операционной системы. Ему обычно передается причина возникновения исключительной ситуации и виртуальный адрес, обращение к которому вызвало нарушение.
4
Все это сказывается на производительности системы, поэтому чтобы повысить эффективность вычислительной системы следует применить различные алгоритмы замещения страниц, где уменьшается количество страничных нарушений.
Есть три задачи:
1.Задача обслуживания исключительной ситуации (отказ страницы);
2.Задача чтения (подкачки) страницы из вторичной памяти (иногда, при недостатке места в основной памяти, необходимо вытолкнуть одну из страниц из основной памяти во вторичную, то есть осуществить замещение страницы);
3.Задача возобновления выполнения процесса, вызвавшего «отказ страницы».
Для решения первой и третьей задач ОС выполняет до нескольких сот машинных инструкций в течение нескольких десятков микросекунд. Время подкачки страницы близко к нескольким десяткам миллисекунд. Проведенные исследования показывают, что вероятности отказа страниц 5×10-7 оказывается достаточно, чтобы снизить производительность страничной схемы управления памятью на 10%. Таким образом, уменьшение частоты отказов страниц является одной из ключевых задач системы управления памятью. Ее решение обычно связано с правильным выбором алгоритма замещения страниц.
Алгоритмы замещения страниц Приведем примеры алгоритмов замещения страниц на неудобных для
них входных данных.
FIFO
Алгоритм замены страниц в порядке очереди FIFO (англ. first in, first out — «первым пришёл — первым ушёл») — это самый простой алгоритм замены страниц. В этом алгоритме операционная система отслеживает все страницы в памяти в очереди, самая старая страница находится в начале очереди. Она же и выбирается в первую очередь для удаления.
5