Разделяемые сегменты памяти

Подсистема виртуальной памяти представляет собой удобный механизм для решения задачи совместного доступа нескольких процессов к одному и тому же сегменту памяти, который в этом случае называется разделяемой памятью (shared memory).

Хотя основной задачей операционной системы при управлении памятью является защита областей оперативной памяти, принадлежащей одному из процессов, от доступа к ней остальных процессов, в некоторых случаях оказывается полезным организовать контролируемый совместный доступ нескольких процессов к определенной области памяти. Например, в том случае, когда несколько пользователей одновременно работают с некоторым текстовым редактором, нецелесообразно многократно загружать его код в оперативную память. Гораздо экономичней загрузить всего одну копию кода, которая обслуживала бы всех пользователей, работающих в данное время с этим редактором (для этого код редактора должен быть реентерабельным). Очевидно, что сегмент данных редактора не может присутствовать в памяти в единственном разделяемом экземпляре – для каждого пользователя должна быть создана своя копия этого сегмента, в которой помещаются редактируемый текст и значения других переменных редактора, например, его конфигурация, индивидуальная для каждого пользователя, и т.п.

Для организации разделяемого сегмента при наличии подсистемы виртуальной памяти достаточно поместить его в виртуальное адресное пространство каждого процесса, которому нужен доступ к данному сегменту, а затем настроить параметры отображения этих виртуальных сегментов так, чтобы они соответствовали одной и той же области оперативной памяти. Детали такой настройки зависят от типа используемой в ОС модели виртуальной памяти: сегментной или сегментно-страничной (чисто страничная организация не поддерживает понятие «сегмент», что делает невозможным решение рассматриваемой задачи). Например, при сегментной организации необходимо в дескрипторах виртуального сегмента каждого процесса указать один и тот же базовый физический адрес. При сегментно-страничной организации отображение на одну и ту же область памяти достигается за счет соответствующей настройки таблицы страниц каждого процесса.

В приведенном выше описании подразумевалось, что разделяемый сегмент помещается в индивидуальную часть виртуального адресного пространства каждого процесса (рис. 4.6, а)и описывается в каждом процессе индивидуальным дескриптором сегмента (и индивидуальными дескрипторами страниц, если используется сегментно-страничный механизм).
«Попадание» же этих виртуальных сегментов на общую часть оперативной памяти достигается за счет согласованной настройки операционной системой многочисленных дескрипторов для множества процессов.

Возможно и более экономичное для ОС решение этой задачи – помещение единственного разделяемого виртуального сегмента в общую часть виртуального адресного пространства процессов, т.е. в ту часть, которая обычно используется для модулей ОС (рис. 4.6, б). В этом случае настройка дескриптора сегмента (и дескрипторов страниц) выполняется только один раз, а все процессы пользуются такой настройкой и совместно используют часть оперативной памяти.

При работе с разделяемыми сегментами памяти ОС должна выполнять некоторые функции, общие для любых разделяемых между процессами ресурсов – файлов и т.п. Эти функции состоят в поддержке схемы именования ресурсов, проверке прав доступа определенного процесса к ресурсу, а также в отслеживании количества процессов, пользующихся данным ресурсом (чтобы удалить его в случае ненадобности). Для того чтобы отличать разделяемые сегменты памяти от индивидуальных, дескриптор сегмента должен содержать поле, имеющее два значения: shared (разделяемый) или private (индивидуальный).

ОП

ВП2

ВП1

а

ОП

ВП2

ВП1 ВПn

б

Рис. 4.6. Два способа создания разделяемого сегмента памяти

Операционная система может создавать разделяемые сегменты как по явному запросу, так и по умолчанию. В первом случае прикладной процесс должен выполнить соответствующий системный вызов, по которому операционная система создаст новый сегмент в соответствии с указанными в вызове параметрами: размером сегмента, разрешенными над ним операциями (чтение/запись) и идентификатором. Все процессы, выполнившие подобные вызовы с одним и тем же идентификатором, получают доступ к этому сегменту и используют его по своему усмотрению, например в качестве буфера для обмена данными. Во втором случае операционная система сама в определенных ситуациях принимает решение о том, что нужно создать разделяемый сегмент.

Наиболее типичным примером такого рода является поступление нескольких запросов на выполнение одного и того же приложения. Если кодовый сегмент приложения помечен в исполняемом файле как реентерабельный и разделяемый, то ОС не создает при поступлении нового запроса новую индивидуальную для процесса копию кодового сегмента этого приложения, а отображает уже существующий разделяемый сегмент в виртуальное адресное пространство процесса. При закрытии приложения каким-либо процессом ОС проверяет, существуют ли другие процессы, пользующиеся данным приложением, и если их нет, то удаляет данный разделяемый сегмент.

Разделяемые сегменты выгружаются на диск системой управления виртуальной памятью по тем же алгоритмам и с помощью тех же механизмов, что и индивидуальные.

Вопросы для самопроверки

110. На какие классы принято разделять алгоритмы распределения памяти?

111. Какие подходы используются для виртуализации памяти в современных ОС?

112. Как называют область жесткого диска, которая отводится ОС для временного хранения страниц или сегментов виртуальной памяти?

113. Возможна ли организация разделяемой памяти при страничном распределении ОП?

Контрольные вопросы

114. Возможна ли ситуация, когда при динамическом способе распределения памяти ОС не принимает процесс на выполнение?

115. Что такое фрагментация ОП?

116. В чем суть процедуры сжатия ОП?

117. Назовите основной недостаток свопинга.

118. Назовите классы структуризации виртуальной памяти.

119. Чем отличается страничное распределение памяти от свопинга?

120. Какая информация содержится в дескрипторе страницы?

121. В какой информационной структуре хранятся адреса таблицы страниц?

122. Какой критерий используется ОС для определения выгружаемой из ОП страницы?

123. Почему в современных ОС предпочтительно сегментное распределение памяти, а не страничное?

124. Какая характеристика ПК определяет максимально возможный размер виртуального адресного пространства?

125. Если несколько процессов используют один и тот же сегмент памяти (общий), то как поступает ОС в этом случае?

126. Укажите основные недостатки сегментного распределения ОП.

127. В чем отличие сегментного распределения ОП от страничного?

128. Для каких целей ОС использует разделяемые сегменты памяти?