39. Проблеми реалізації'віртуальної пам'яті. Фрагментація пам'яті

Основна проблема, що виникає у разі використання віртуальної пам'яті, стосу­ється ефективності її реалізації. Оскільки перетворення адрес необхідно робити під час кожного звертання до пам'яті, недбала реалізація цього перетворення мо­же призвести до найгірших наслідків для продуктивності всієї системи. Якщо для більшості звертань до пам'яті система буде змушена насправді звертатися до дис­ка (який у десятки тисяч разів повільніший, ніж основна пам'ять), працювати із такою системою стане практично неможливо.

Ще однією проблемою є фрагментація пам'яті, що виникає за ситуації, коли неможливо використати вільну пам'ять. Розрізняють зовнішню і внутрішню фраг­ментацію пам'яті (рис. 8.2).

Зовнішня зводиться до того, що внаслідок виділення і наступного звільнення пам'яті в ній утворюються вільні блоки малого розміру - діри (holes).

Внутрішня фрагментація зводиться до того, що за запитом виділяють блоки пам'яті більшого розміру, ніж насправді будуть використовуватися, у результаті всередині виділених блоків залишаються невикористовувані ділянки, які вже не можуть бути призначені для чогось іншого.

40. Логічна і фізична адресація пам’яті Найважливішим поняттям концепції віртуальної пам’яті є логічна і фізична адресація пам’яті. Логічна або віртуальна адреса – адреса, яку генерує програма, запущена на деякому процесорі. Адреси, що використовують інструкції конкретного процесора, є логічними адресами. Сукупність логічних адрес становить логічний адресний простір. Фізична адреса – адреса, якою оперує мікросхема пам’яті. Прикладна програма в сучасних комп’ютерах ніколи не має справи з фізичними адресами. Спеціальний апаратний пристрій MMU (memory management unit-пристрій керування пам’яттю) відповідає за перетворення логічних адрес у фізичні. Сукупність усіх доступних фізичних адрес становить фізичний адресний простір. Отже, якщо в комп’ютері є мвкросхеми на 128 Мбайт пам’яті, то саме такий обсяг пам’ятіадресують фізично. Логічно адресують зазвичай значно більше пам’яті. 

41. Сегментація пам'яті

Сегментація пам'яті дає змогу зображати логічний адресний простір як сукуп­ність незалежних блоків змінної довжини, які називають сегментами. Кожний сегмент звичайно містить дані одного призначення, наприклад в одному може бу­ти стек, в іншому — програмний код і т. д.

У кожного сегмента є ім'я і довжина (для зручності реалізації поряд з іменами використовують номери). Логічна адреса складається з номера сегмента і зсуву всередині сегмента; з такими адресами працює прикладна програма. Компілятори часто створюють окремі сегменти для різних даних програми (сегмент коду, сег­мент даних, сегмент стека). Під час завантаження програми у пам'ять створюють таблицю дескрипторів сегментів процесу, кожний елемент якої відповідає одно­му сегменту і складається із базової адреси, значення межі та прав доступу.

Наведемо переваги сегментації пам'яті.

• З'явилася можливість організувати кілька незалежних сегментів пам'яті для процесу і використати їх для зберігання даних різної природи. При цьому права доступу до кожного такого сегмента можуть бути задані по-різному.

• Окремі сегменти можуть спільно використовуватися різними процесами, для цього їхні таблиці дескрипторів сегментів повинні містити однакові елементи, що описують такий сегмент.

• Фізична пам'ять, що відповідає адресному простору процесу, тепер не обо­в'язково має бути неперервною. Справді, сегментація дає змогу окремим части­нам адресного простору процесу відображатися не в основну пам'ять, а на диск, і довантажуватися з нього за потребою, забезпечуючи виконання проце­сів будь-якого розміру.

Цей підхід не позбавлений і недоліків.

• Необхідність введення додаткового рівня перетворення пам'яті спричиняє зни­ження продуктивності (цей недолік властивий будь-якій повноцінній реаліза­ції віртуальної пам'яті). Для ефективної реалізації сегментації потрібна відпо­відна апаратна підтримка.

• Керування блоками пам'яті змінної довжини з урахуванням необхідності їх­нього збереження на диску може бути досить складним.

• Вимога, щоб кожному сегменту відповідав неперервний блок фізичної пам'яті відповідного розміру, спричиняє зовнішню фрагментацію пам'яті. Внутріш­ньої фрагментації у цьому разі не виникає, оскільки сегменти мають змінну довжину і завжди можна виділити сегмент довжини, необхідної для виконан­ня програми.

Сьогодні сегментацію застосовують доволі обмежено передусім через фраг­ментацію і складність реалізації ефективного звільнення пам'яті та обміну із дис­ком. Ширше використання отримав розподіл пам'яті на блоки фіксованої довжи­ни — сторінкова організація пам'яті.