Исключительные ситуации при работе с памятью.

Ключевая информация о характере отображения адреса хранится в таблице страниц. Помимо сведений о присутствии или отсутствии нужной страницы в оперативной памяти, атрибуты страницы могут разрешать или запрещать конкретные операции обращения к памяти. Что же происходит, когда операция запрещена, или нужной страницы в памяти нет?

Естественно, что операционная система должна быть как-то оповещена о происшедшем. Обычно для этого используется механизм исключительных ситуаций (exceptions). При попытке выполнить операцию такого рода, возникает исключительная ситуация страничное нарушение (page fault), приводящая к вызову специальной программы - обработчика (handler) этой исключительной ситуации, который уже и решает, что же нужно предпринять, чтобы обработать конкретный вид страничного нарушения. Страничное нарушение обычно происходит в самых разных случаях, например: 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, обычно являющийся частью операционной системы, которому обычно передается причина возникновения исключительной ситуации и соответствующий виртуальный адрес.

Нас будет интересовать вариант обращения к не присутствующей странице, поскольку его обработка во многом определяет производительность страничной системы. Оптимизация может происходить по пути уменьшения частоты страничных нарушений, а также увеличения скорости их обработки. Время эффективного доступа к не присутствующей странице складывается из:

· времени обслуживания исключительной ситуации (page fault)

· времени 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).

· времени рестарта процесса, вызвавшего данный page fault

Первое и третье времена могут быть уменьшены за счет тщательного кодирования нескольких сотен инструкций и составлять десятки микросекунд каждое. Время подкачки страницы с диска будет вероятно близким к нескольким десяткам миллисекунд. Оценки (Silberschatz) показывают, что если удастся снизить вероятность page fault'а до 5*10**-7, то производительность страничной системы будет снижена всего на 10%. Таким образом, снижение частоты page fault'ов является одной из ключевых задач системы управления памятью. Ее решение обычно связано с правильным выбором алгоритма замещения страниц.

Стратегии управления страничной памятью.

Обычно рассматривают три стратегии:

Стратегия выборки (fetch policy) - в какой момент следует переписать страницу из вторичной памяти в первичную. Выборка бывает по запросу и с упреждением. Алгоритм выборки вступает в действие в тот момент, когда процесс обращается к не присутствующей странице, содержимое которой в данный момент находится на диске (в своп файле или отображенном файле), и потому является ключевым алгоритмом свопинга. Он обычно заключается в загрузке страницы с диска в свободную физическую страницу и отображении этой физической страницы в то место, куда было произведено обращение, вызвавшее исключительную ситуацию.

Существует модификация алгоритма выборки, которая применяет еще и опережающее чтение (с упреждением), т.е. кроме страницы, вызвавшей исключительную ситуацию, в память также загружается несколько страниц, окружающих ее (так называемый кластер). Такой алгоритм призван уменьшить накладные расходы, связанные с большим количеством исключительных ситуаций, возникающих при работе с большими объемами данных или кода, кроме того, оптимизируется и работа с диском, поскольку появляется возможность загрузки нескольких страниц за одно обращение к диску.

Стратегия размещения (placement policy) - определить в какое место первичной памяти поместить поступающую страницу. В системах со страничной организацией в любой свободный страничный кадр (в системах с сегментной организацией - нужна стратегия, аналогичная стратегии с переменными разделами).

Стратегия замещения (replacement policy) - какую страницу нужно вытолкнуть во внешнюю память, чтобы освободить место. Разумная стратегия замещения позволяет оптимизировать хранение в памяти самой необходимой информации и тем самым снизить частоту страничных нарушений.