Операционная система UNIX

Одной из основных функций операционной системы является эффективное управление памятью. Оперативная память, или основная память, или память с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM) является достаточно дорогостоящим ресурсом. Время доступа к оперативной памяти составляет всего несколько циклов процессора, поэтому работа с данными, находящимся в памяти, обеспечивает максимальную производительность. К сожалению, данный ресурс, как правило, ограничен. В большей степени это справедливо для многозадачной операционной системы общего назначения, каковой является UNIX. Поэтому данные, которые не могут быть размещены в оперативной памяти, располагаются на вторичных устройствах хранения, или во вторичной памяти, роль которой обычно выполняют дисковые накопители. Время доступа ко вторичной памяти па несколько порядков превышает время доступа к оперативной памяти и требует активного содействия операционной системы. Подсистема управления памятью UNIX отвечает за справедливое и эффективное распределение разделяемого ресурса оперативной памяти между процессами и за обмен данными между оперативной и вторичной памятью. Часть операций производится аппаратно устройством управления памятью (Memory Management Unit, MMU) процессора под управлением операционной системы, чем достигается требуемое быстродействие.

Примитивное управление памятью значительно уменьшает функциональность операционной системы. Такие системы, как правило, позволяют загрузить в заранее определенное место в оперативной памяти единственную задачу и передать ей управление. При этом задача получает в свое распоряжение все ресурсы компьютера (разделяя их, разумеется, с операционной системой), а адреса, используемые задачей, являются физическими адресами оперативной памяти. Такой способ запуска и выполнения одной программы безусловно является наиболее быстрым и включает минимальные накладные расходы.

Этот подход часто используется в специализированных микропроцессорных системах, однако практически неприменим в операционных системах общего назначения, какой является UNIX. Можно сформулировать ряд возможностей, которые должна обеспечивать подсистема управления памятью современной многозадачной операционной системы:

 Выполнение задач, размер которых превышает размер оперативной памяти.

 Выполнение частично загруженных в память задач для минимизации времени их запуска.

 Размещение нескольких задач в памяти одновременно для повышения эффективности использования процессора.

 Размещение задачи в произвольном месте оперативной памяти.

 Размещение задачи в нескольких различных частях оперативной памяти.

 Совместное использование несколькими задачами одних и тех же областей памяти. Например, несколько процессов, выполняющих одну и ту же программу, могут совместно использовать сегмент кода.

Все эти возможности реализованы в современных версиях UNIX с помощью т.н. виртуальной памяти, о которой пойдет речь в следующем подразделе. Виртуальная память не является "бесплатным приложением", повышая накладные расходы операционной системы: структуры данных управления памятью размещаются в оперативной памяти, уменьшая ее размер; управление виртуальной памятью процесса может требовать ресурсоемких операций ввода/вывода; для системы со средней загрузкой около 7% процессорного времени приходится на подсистему управления памятью. Поэтому от эффективности реализации и работы этой подсистемы во многом зависит производительность операционной системы в целом.

Виртуальная и физическая память

Оперативная память является, пожалуй, одним из наиболее дорогих компонентов компьютерной системы. Ранние системы UNIX имели в своем распоряжении 64 Кбайт оперативной памяти, и это количество было явно недостаточным, современные компьютеры обладают гигабайтами оперативной памяти, но и этого уже мало.

Оперативная память может быть представлена в виде последовательности байтов, каждый из которых имеет свой уникальный адрес, называемый физическим адресом. Именно эти адреса в конечном счете использует процессор, обмениваясь данными с оперативной памятью. Однако адресное пространство процесса существенным образом отличается от адресного пространства физической оперативной памяти. Представим себе, что адресное пространство процесса непосредственно отображалось бы в оперативную память, другими словами, что адреса, используемые процессом, являлись бы физическими адресами. При таком подходе на пути создания многозадачной системы нас ожидал бы ряд непреодолимых препятствий:

 Во-первых, трудно себе представить механизм, защищающий адресное пространство одного процесса, от адресного пространства другого или, что более важно, от адресного пространства самой операционной системы. Поскольку каждый процесс работает с физическими адресами, нет никакой гарантии, что процесс не обратится к ячейкам памяти, принадлежащим другим процессам или ядру системы. Последствия такого обращения скорее всего будут весьма плачевными.