Алгоритм подкачки страниц памяти поддерживается на машинах со страничной организацией памяти и с ЦП, имеющим прерываемые команды. В системах с подкачкой страниц отсутствуют ограничения на размер процесса, связанные с объемом доступной физической памяти. Например, в машинах с объемом физической памяти 1 и 2 Мбайта могут исполняться процессы размером 4 или 5 Мбайт. Ограничение на виртуальный размер процесса, связанное с объемом адресуемой виртуальной памяти, остается в силе и здесь. Поскольку процесс может не поместиться в физической памяти, ядру приходится динамически загружать в память отдельные его части и исполнять их, несмотря на отсутствие остальных частей. В механизме подкачки страниц все открыто для пользовательских программ, за исключением разрешенного процессу виртуального размера.

Процессы стремятся исполнять команды небольшими порциями, которые именуются программными циклами или подпрограммами, используемые ими указатели группируются в небольшие поднаборы, располагаемые в информационном пространстве процесса. В этом состоит суть так называемого принципа "локальности". Деннингом было сформулировано понятие рабочего множества процесса как совокупности страниц, использованных процессом в последних n ссылках на адресное пространство памяти; число n называется окном рабочего множества. Поскольку рабочее множество процесса является частью от целого, в основной памяти может поместиться больше процессов по сравнению с теми системами, где управление памятью базируется на подкачке процессов, что в конечном итоге приводит к увеличению производительности системы. Когда процесс обращается к странице, отсутствующей в его рабочем множестве, возникает ошибка, при обработке которой ядро корректирует рабочее множество процесса, в случае необходимости подкачивая страницы с внешнего устройства. По мере выполнения процесса его рабочее множество видоизменяется в соответствии с используемыми процессом указателями страниц; увеличение размера окна влечет за собой увеличение рабочего множества и, с другой стороны, сокращение числа ошибок в выполнении процесса. Использование неизменного рабочего множества не практикуется, поскольку запоминание очередности следования указателей страниц потребовало бы слишком больших затрат. Приблизительное соответствие между изменяемым рабочим множеством и пространством процесса достигается путем установки бита упоминания (reference bit) при обращении к странице памяти, а также периодическим опросом указателей страниц. Если на страницу была сделана ссылка, эта страница включается в рабочее множество; в противном случае она "дозревает" в памяти в ожидании своей очереди.

В случае возникновения ошибки из-за обращения к странице, отсутствующей в рабочем множестве, ядро приостанавливает выполнение процесса до тех пор, пока страница не будет считана в память и не станет доступной процессу. Когда страница будет загружена, процесс перезапустит ту команду, на которой выполнение процесса было приостановлено из-за ошибки. Таким образом, работа подсистемы замещения страниц распадается на две части: откачка редко используемых страниц на устройство выгрузки и обработка ошибок из-за отсутствия нужной страницы. Такое общее толкование механизма замещения страниц, конечно же, выходит за пределы одной конкретной системы. Оставшуюся часть главы мы посвятим более детальному рассмотрению особенностей реализации этого механизма в версии V системы UNIX.

Для поддержки функций управления памятью на машинном (низком) уровне и для реализации механизма замещения страниц ядро использует 4 основные структуры данных: записи таблицы страниц, дескрипторы дисковых блоков, таблицу содержимого страничных блоков (page frame data table - сокращенно: pfdata) и таблицу использования области подкачки. Место для таблицы pfdata выделяется один раз на все время жизни системы, для других же структур страницы памяти выделяются динамически.

Нам известно, что каждая область располагает своими таблицами страниц, с помощью которых осуществляется доступ к физической памяти. Каждая запись таблицы страниц рис.11 состоит из физического адреса страницы, кода защиты, в разрядах которого описываются права доступа процесса к странице (на чтение, запись и исполнение), а также следующих двоичных полей, используемых механизмом замещения страниц:

• бит доступности
• бит упоминания
• бит модификации
• бит копирования при записи
• "возраст" страницы

Установка бита доступности свидетельствует о правильности содержимого страницы памяти, однако из того, что бит доступности выключен, не следует с необходимостью то, что ссылка на страницу недопустима, в чем мы убедимся позже. Бит упоминания устанавливается в том случае, если процесс делает ссылку на страницу, а бит модификации - в том случае, если процесс скорректировал содержимое страницы. Установка бита копирования при записи, производимая во время выполнения системной функции fork, свидетельствует о том, что ядру в случае, когда процесс корректирует содержимое страницы, следует создавать ее новую копию. Наконец, "возраст" страницы говорит о продолжительности ее пребывания в составе рабочего множества процесса. Биты доступности, копирования при записи и "возраст" страницы устанавливаются ядром, биты упоминания и модификации - аппаратным путем;

Рис.11. Записи таблицы страниц и дескрипторы дисковых блоков

Каждая запись таблицы страниц связана с дескриптором дискового блока, описывающим дисковую копию виртуальной страницы рис.11. Поэтому процессы, использующие разделяемую область, обращаются к общим записям таблицы страниц и к одним и тем же дескрипторам дисковых блоков. Содержимое виртуальной страницы располагается либо в отдельном блоке на устройстве выгрузки, либо в исполняемом файле, либо вообще отсутствует на устройстве выгрузки. Если страница находится на устройстве выгрузки, в дескрипторе дискового блока содержится логический номер устройства и номер блока, по которым можно отыскать содержимое страницы. Если страница содержится в исполняемом файле, в дескрипторе дискового блока располагается номер логического блока в файле с содержимым страницы; ядро может быстро преобразовать этот номер в адрес на диске. В дескрипторе дискового блока также имеется информация о двух устанавливаемых функцией exec особых условиях: страница при обращении к ней заполняется ("demand fill") или обнуляется ("demand zero").

В таблице pfdata описывается каждая страница физической памяти. Записи таблицы проиндексированы по номеру страницы и состоят из следующих полей:

• Статус страницы, указывающий на то, что страница располагается на устройстве выгрузки или в исполняемом файле, что к странице произведено обращение по прямому доступу в память (путем считывания информации с устройства выгрузки), или на то, что страница может быть переназначена.
• Количество процессов, ссылающихся на страницу. Счетчик ссылок хранит число записей в таблице страниц, имеющих ссылку на текущую страницу. Это значение может отличаться от количества процессов, использующих разделяемую область с данной страницей, в чем мы убедимся чуть позже, когда будем снова обращаться к алгоритму функции fork.
• Логический номер устройства (устройства выгрузки или файловой системы) и номер блока, указывающие расположение содержимого страницы.
• Указатели на другие записи таблицы pfdata в соответствии со списком свободных страниц или с хеш-очередью страниц.

По аналогии с буферным кэшем ядро связывает записи таблицы pfdata в список свободных страниц и хеш-очередь. Список свободных страниц представляет собой буфер, который содержит страницы, доступные для переназначения, однако процесс, обратившийся к этим страницам, может столкнуться с ошибкой адресации, так и не получив соответствующую страницу из списка. Этот список дает ядру возможность сократить число операций чтения с устройства выгрузки. Ядро выделяет страницы из этого списка по вышеназванному принципу замещения "стариков". Ядро выстраивает записи таблицы в хеш-очередь в соответствии с номером устройства (выгрузки) и номером блока. Используя эти номера, ядро может быстро отыскать страницу, если она находится в памяти. Передавая физическую страницу области, ядро выбирает соответствующую запись из списка свободных страниц, исправляет указанные в ней номера устройства и блока и помещает ее в соответствующее место хеш-очереди.

Каждая запись таблицы использования области подкачки соответствует странице, находящейся на устройстве выгрузки. Запись содержит счетчик ссылок, показывающий количество записей таблицы страниц, в которых имеется ссылка на текущую страницу.

На рис.12 показана взаимосвязь между записями таблицы страниц, дескрипторами дисковых блоков, записями таблицы pfdata и таблицы использования области подкачки. Виртуальный адрес 1493К отображается на запись таблицы страниц, соответствующую странице с физическим номером 794; дескриптор дискового блока, связанный с этой записью, свидетельствует о том, что содержимое страницы располагается на устройстве выгрузки с номером 1 в дисковом блоке с номером 2743. Запись таблицы pfdata, помимо того, что указывает на те же номера устройства и блока, сообщает, что счетчик ссылок на физическую страницу имеет значение, равное 1. Счетчик ссылок на виртуальную страницу (в записи таблицы использования области подкачки) свидетельствует о том, что на копию страницы на устройстве выгрузки ссылается только одна запись таблицы страниц.

Во время выполнения функции fork ядро создает копию каждой области родительского процесса и присоединяет ее к процессу-потомку. В системе с замещением страниц ядро по традиции создает физическую копию адресного пространства процесса-родителя, что в общем случае является довольно расточительной операцией, поскольку процесс часто после выполнения функции fork обращается к функции exec и незамедлительно освобождает только что скопированное пространство. Если область разделяемая, в версии V вместо копирования страницы ядро просто увеличивает значение счетчика ссылок на область (в таблице областей, в таблице страниц и в таблице pfdata). Тем не менее, для частных областей, таких как область данных и стека, ядро отводит в таблице областей и таблице страниц новую запись, после чего просматривает в таблице страниц все записи процесса-родителя: если запись верна, ядро увеличивает значение счетчика ссылок в таблице pfdata, отражающее количество процессов, использующих страницу через разные области (в отличие от тех процессов, которые используют данную страницу через разделяемую область). Если страница располагается на устройстве выгрузки, ядро увеличивает значение счетчика ссылок в таблице использования области подкачки.

Рис.12. Взаимосвязь между структурами данных, участвующими в реализации механизма замещения страниц по обращению

Теперь на страницу могут ссылаться обе области, использующие эту страницу совместно, пока процесс не ведет на нее запись. Как только страница понадобится процессу для записи, ядро создаст ее копию, с тем, чтобы у каждой области была своя личная версия страницы. Для этого при выполнении функции fork в каждой записи таблицы страниц, соответствующей частным областям родителя и потомка, ядро устанавливает бит "копирования при записи". Если один из процессов попытается что-то записать на страницу, он получит отказ системы защиты, после чего для него будет создана новая копия содержимого страницы. Таким образом, физическое копирование страницы откладывается до того момента, когда в этом возникнет реальная потребность.

В качестве примера рассмотрим рис.13. Процессы разделяют доступ к таблице страниц совместно используемой области команд T, поэтому значение счетчика ссылок на область равно 2, а на страницы области единице (в таблице pfdata). Ядро назначает процессу-потомку новую область данных C1, являющуюся копией области P1 процесса-родителя. Обе области используют одни и те же записи таблицы страниц, это видно на примере страницы с виртуальным адресом 97К. Этой странице в таблице pfdata соответствует запись с номером 613, счетчик ссылок в которой равен 2, ибо на страницу ссылаются две области.

Рис.13. Адресация страниц, участвующих в процессе выполнения функции fork

В ходе выполнения функции fork в системе BSD создается физическая копия страниц родительского процесса. Однако, учитывая наличие ситуаций, в которых создание физической копии не является обязательным, в системе BSD существует также функция vfork, которая используется в том случае, если процесс сразу по завершении функции fork собирается запустить функцию exec. Функция vfork не копирует таблицы страниц, поэтому она работает быстрее, чем функция fork в версии V системы UNIX. Однако процесс-потомок при этом исполняется в тех же самых физических адресах, что и его родитель, и может поэтому затереть данные и стек родительского процесса. Если программист использует функцию vfork неверно, может возникнуть опасная ситуация, поэтому вся ответственность за ее использование возлагается на программиста. Различие в подходах к рассматриваемому вопросу в системах UNIX и BSD имеет философский характер, они дают разный ответ на один и тот же вопрос: следует ли ядру скрывать особенности реализации своих функций, превращая их в тайну для пользователей, или же стоит дать опытным пользователям возможность повысить эффективность выполнения системных операций?

     int global;                                                

     main()                                                     

     {                                                          

         int local;             

         local = 1;                                             

         if (vfork() == 0)                                      

         {                                                      

             /* потомок */                                      

             global = 2;  /* запись в область данных родителя */

             local = 3;   /* запись в стек родителя */          

             _exit();                                           

         }                                                      

         printf("global %d local %d\n",global,local);           

     }                                                          

Рис.14. Функция vfork и искажение информации процесса

В качестве примера рассмотрим программу, приведенную на рис.14. После выполнения функции vfork процесс-потомок не запускает функцию exec, а переустанавливает значения переменных global и local и завершается. Система гарантирует, что процесс-родитель приостанавливается до того момента, когда потомок исполнит функции exec или exit. Возобновив в конечном итоге свое выполнение, процесс-родитель обнаружит, что значения двух его переменных не совпадают с теми значениями, которые были у них до обращения к функции vfork ! Еще больший эффект может произвести возвращение процесса-потомка из функции, вызвавшей функцию vfork.

Когда процесс обращается к системной функции exec, ядро считывает из файловой системы в память указанный исполняемый файл. Однако в системе с замещением страниц по запросу исполняемый файл, имеющий большой размер, может не уместиться в доступном пространстве основной памяти. Поэтому ядро не назначает ему сразу все пространство, а отводит место в памяти по мере надобности. Сначала ядро назначает файлу таблицы страниц и дескрипторы дисковых блоков, помечая страницы в записях таблиц как "заполняемые при обращении" (для всех данных, кроме имеющих тип bss) или "обнуляемые при обращении" (для данных типа bss). Считывая в память каждую страницу файла по алгоритму read, процесс получает ошибку из-за отсутствия (недоступности) данных. Подпрограмма обработки ошибок проверяет, является ли страница "заполняемой при обращении" (тогда ее содержимое будет немедленно затираться содержимым исполняемого файла и поэтому ее не надо очищать) или "обнуляемой при обращении" (тогда ее следует очистить). Если процесс не может поместиться в памяти, "сборщик" страниц освобождает для него место, периодически откачивая из памяти неиспользуемые страницы.

В этой схеме видны явные недостатки. Во-первых, при чтении каждой страницы исполняемого файла процесс сталкивается с ошибкой из-за обращения к отсутствующей странице, пусть даже процесс никогда и не обращался к ней. Во-вторых, если после того, как "сборщик" страниц откачал часть страниц из памяти, была запущена функция exec, каждая только что выгруженная и вновь понадобившаяся страница потребует дополнительную операцию по ее загрузке. Чтобы повысить эффективность функции exec, ядро может востребовать страницу непосредственно из исполняемого файла, если данные в файле соответствующим образом настроены, что определяется значением т.н. "магического числа". Однако, использование стандартных алгоритмов доступа к файлу (например, bmap) потребовало бы при обращении к странице, состоящей из блоков косвенной адресации, больших затрат, связанных с многократным использованием буферного кэша для чтения каждого блока. Кроме того, функция bmap не является реентерабельной, отсюда возникает опасность нарушения целостности данных. Во время выполнения системной функции read ядро устанавливает в пространстве процесса значения различных параметров ввода-вывода. Если при попытке скопировать данные в пространство пользователя процесс столкнется с отсутствием нужной страницы, он, считывая страницу из файловой системы, может затереть содержащие эти параметры поля. Поэтому ядро не может прибегать к использованию обычных алгоритмов обработки ошибок данного рода. Конечно же алгоритмы должны быть в обычных случаях реентерабельными, поскольку у каждого процесса свое отдельное адресное пространство и процесс не может одновременно исполнять несколько системных функций.

Для того, чтобы считывать страницы непосредственно из исполняемого файла, ядро во время исполнения функции exec составляет список номеров дисковых блоков файла и присоединяет этот список к индексу файла. Работая с таблицами страниц такого файла, ядро находит дескриптор дискового блока, содержащего страницу, и запоминает номер блока внутри файла; этот номер позже используется при загрузке страницы из файла. На рис.15 показан пример, в котором страница имеет адрес расположения в логическом блоке с номером 84 от начала файла. В области имеется указатель на индекс, в котором содержится номер соответствующего физического блока на диске (279).

Рис.15. Отображение файла на область

"Сборщик" страниц (page stealer) является процессом, принадлежащим ядру операционной системы и выполняющим выгрузку из памяти тех страниц, которые больше не входят в состав рабочего множества пользовательского процесса. Этот процесс создается ядром во время инициализации системы и запускается в любой момент, когда в нем возникает необходимость. Он просматривает все активные незаблокированные области и увеличивает значение "возраста" каждой принадлежащей им страницы (заблокированные области пропускаются, но впоследствии, по снятии блокировки, тоже будут учтены). Когда процесс при работе со страницей, принадлежащей области, получает ошибку, ядро блокирует область, чтобы "сборщик" не смог выгрузить страницу до тех пор, пока ошибка не будет обработана.

Страница в памяти может находиться в двух состояниях: либо "дозревать", не будучи еще готовой к выгрузке, либо быть готовой к выгрузке и доступной для привязки к другим виртуальным страницам. Первое состояние означает, что процесс обратился к странице и поэтому страница включена в его рабочее множество. При обращении к странице в некоторых машинах аппаратно устанавливается бит упоминания, если же эта операция не выполняется, соответственно, и программные методы скорее всего используются другие. Если страница находится в первом состоянии, "сборщик" сбрасывает бит упоминания в ноль, но запоминает количество просмотров множества страниц, выполненных с момента последнего обращения к странице со стороны пользовательского процесса. Таким образом, первое состояние распадается на несколько подсостояний в соответствии с тем, сколько раз "сборщик" страниц обратился к странице до того, как страница стала готовой для выгрузки рис.16. Когда это число превышает некоторое пороговое значение, ядро переводит страницу во второе состояние - состояние готовности к выгрузке. Максимальная продолжительность пребывания страницы в первом состоянии зависит от условий конкретной реализации и ограничивается числом отведенных для этого поля разрядов в записи таблицы страниц.

Рис.16. Диаграмма состояний страницы

На рис.17 показано взаимодействие между процессами, работающими со страницей, и "сборщиком" страниц. Цифры обозначают номер обращения "сборщика" к странице с того момента, как страница была загружена в память. Процесс, обратившийся к странице после второго просмотра страниц "сборщиком", сбросил ее "возраст" в 0. После каждого просмотра пользовательский процесс обращался к странице вновь, но в конце концов "сборщик" страниц осуществил три просмотра страницы с момента последнего обращения к ней со стороны пользовательского процесса и выгрузил ее из памяти.

Рис.17. Пример "созревания" страницы

Если область используется совместно не менее, чем двумя процессами, все они работают с битами упоминания в одном и том же наборе записей таблицы страниц. Таким образом, страницы могут включаться в рабочие множества нескольких процессов, но для "сборщика" страниц это не имеет никакого значения. Если страница включена в рабочее множество хотя бы одного из процессов, она остается в памяти; в противном случае она может быть выгружена. Ничего, что одна область, к примеру, имеет в памяти страниц больше, чем имеют другие: "сборщик" страниц не пытается выгрузить равное количество страниц из всех активных областей.

Ядро возобновляет работу "сборщика" страниц, когда доступная в системе свободная память имеет размер, не дотягивающий до нижней допустимой отметки, и тогда "сборщик" производит откачку страниц до тех пор, пока объем свободной памяти не превысит верхнюю отметку. При использовании двух отметок количество производимых операций сокращается, ибо если ядро использует только одно пороговое значение, оно будет выгружать достаточное число страниц для освобождения памяти свыше порогового значения, но в результате возвращения ошибочно выгруженных страниц в память размер свободного пространства вскоре вновь опустится ниже этого порога. Объем свободной памяти при этом постоянно бы поддерживался около пороговой отметки. Выгрузка страниц с освобождением памяти в объеме, превышающем верхнюю отметку, откладывает момент, когда объем свободной памяти в системе станет меньше нижней отметки, поэтому "сборщику" страниц не приходится уже так часто выполнять свою работу. Оптимальный выбор уровней верхней и нижней отметок администратором повышает производительность системы.

Когда "сборщик" страниц принимает решение выгрузить страницу из памяти, он проверяет возможность нахождения копии этой страницы на устройстве выгрузки. При этом могут иметь место три случая:

1. Если на устройстве выгрузки есть копия страницы, ядро "планирует" выгрузку страницы: "сборщик" страниц помещает ее в список выгруженных страниц и переходит дальше; выгрузка считается логически завершившейся. Когда число страниц в списке превысит ограничение (определяемое возможностями дискового контроллера), ядро переписывает страницы на устройство выгрузки.

2. Если на устройстве выгрузки уже есть копия страницы и ее содержимое ничем не отличается от содержимого страницы в памяти (бит модификации в записи таблицы страниц не установлен), ядро сбрасывает в ноль бит доступности (в той же записи таблицы), уменьшает значение счетчика ссылок в таблице pfdata и помещает запись в список свободных страниц для будущего переназначения.

3. Если на устройстве выгрузки есть копия страницы, но процесс изменил содержимое ее оригинала в памяти, ядро планирует выгрузку страницы и освобождает занимаемое ее копией место на устройстве выгрузки.

"Сборщик" страниц копирует страницу на устройство выгрузки, если имеют место случаи 1 и 3.

Чтобы проиллюстрировать различия между последними двумя случаями, предположим, что страница находится на устройстве выгрузки и загружается в основную память после того, как процесс столкнулся с отсутствием необходимых данных. Допустим, ядро не стало автоматически удалять копию страницы на диске. В конце концов, "сборщик" страниц вновь примет решение выгрузить страницу. Если с момента загрузки в память в страницу не производилась запись данных, содержимое страницы в памяти идентично содержимому ее дисковой копии и в переписи страницы на устройство выгрузки необходимости не возникает. Однако, если процесс успел что-то записать на страницу, старый и новый ее варианты будут различаться, поэтому ядру следует переписать страницу на устройство выгрузки, освободив предварительно место, занимаемое на устройстве старым вариантом. Ядро не сразу использует освобожденное пространство на устройстве выгрузки, поэтому оно имеет возможность поддерживать непрерывное размещение занятых участков, что повышает эффективность использования области выгрузки.

"Сборщик" страниц заполняет список выгруженных страниц, которые в принципе могут принадлежать разным областям, и по заполнении списка откачивает их на устройство выгрузки. Нет необходимости в том, чтобы все страницы одного процесса непременно выгружались: к примеру, некоторые из страниц, возможно, недостаточно "созрели" для этого. В этом видится различие со стратегией выгрузки процессов, согласно которой из памяти выгружаются все страницы одного процесса, вместе с тем метод переписи данных на устройство выгрузки идентичен тому методу, который описан для системы с замещением процессов в разделе 1.2. Если на устройстве выгрузки недостаточно непрерывного пространства, ядро выгружает страницы по отдельности (по одной странице за операцию), что в конечном итоге обходится недешево. В системе с замещением страниц фрагментация на устройстве выгрузки выше, чем в системе с замещением процессов, поскольку ядро выгружает блоки страниц, но загружает в память каждую страницу в отдельности.

Когда ядро переписывает страницу на устройство выгрузки, оно сбрасывает бит доступности в соответствующей записи таблицы страниц и уменьшает значение счетчика ссылок в соответствующей записи таблицы pfdata. Если значение счетчика становится равным 0, запись таблицы pfdata помещается в конец списка свободных страниц и запоминается для последующего переназначения. Если значение счетчика отлично от 0, это означает, что страница (в результате выполнения функции fork) используется совместно несколькими процессами, но ядро все равно выгружает ее. Наконец, ядро выделяет пространство на устройстве выгрузки, сохраняет его адрес в дескрипторе дискового блока и увеличивает значение счетчика ссылок на страницу в таблице использования области подкачки. Если в то время, пока страница находится в списке свободных страниц, процесс обнаружил ее отсутствие, получив соответствующую ошибку, ядро может восстановить ее в памяти, не обращаясь к устройству выгрузки. Однако, страница все равно будет считаться выгруженной, если она попала в список "сборщика" страниц.

Предположим, к примеру, что "сборщик" страниц выгружает 30, 40, 50 и 20 страниц из процессов A, B, C и D, соответственно, и что за одну операцию выгрузки на дисковое устройство откачиваются 64 страницы. На рис.18 показана последовательность имеющих при этом место операций выгрузки при условии, что "сборщик" страниц осуществляет просмотр страниц процессов в очередности: A, B, C, D. "Сборщик" выделяет на устройстве выгрузки место для 64 страниц и выгружает 30 страниц процесса A и 34 страницы процесса B. Затем он выделяет место для следующих 64 страниц и выгружает оставшиеся 6 страниц процесса B, 50 страниц процесса C и 8 страниц процесса D. Выделенные для размещения страниц за две операции участки области выгрузки могут быть и несмежными. "Сборщик" сохраняет оставшиеся 12 страниц процесса D в списке выгружаемых страниц, но не выгружает их до тех пор, пока список не будет заполнен до конца. Как только у процессов возникает потребность в подкачке страниц с устройства выгрузки или если страницы больше не нужны использующим их процессам (процессы завершились), в области выгрузки освобождается место.

Чтобы подвести итог, выделим в процессе откачки страницы из памяти две фазы. На первой фазе "сборщик" страниц ищет страницы, подходящие для выгрузки, и помещает их номера в список выгружаемых страниц. На второй фазе ядро копирует страницу на устройство выгрузки (если на нем имеется место), сбрасывает в ноль бит допустимости в соответствующей записи таблицы страниц, уменьшает значение счетчика ссылок в соответствующей записи таблицы pfdata и если оно становится равным 0, помещает эту запись в конец списка свободных

страниц. Содержимое физической страницы в памяти не изменяется до тех пор,

пока страница не будет переназначена другому процессу.

Рис.18. Выделение пространства на устройстве выгрузки в системе с замещением страниц

В системе встречаются два типа отказов при обращении к странице: отказы из-за отсутствия (недоступности) данных и отказы системы защиты. Поскольку программы обработки прерываний по отказу могут приостанавливать свое выполнение на время считывания страницы с диска в память, эти программы являются исключением из общего правила, утверждающего невозможность приостановки обработчиков прерываний. Тем не менее, поскольку программа обработки прерываний по отказу приостанавливается в контексте процесса, породившего фатальную ошибку памяти, отказ относится к текущему процессу; следовательно, процессы приостанавливаются не произвольным образом.

Если процесс пытается обратиться к странице, бит доступности для которой не установлен, он получает отказ из-за отсутствия (недоступности) данных и ядро запускает программу обработки прерываний по отказу данного типа рис.19. Бит доступности не устанавливается ни для тех страниц, которые располагаются за пределами виртуального адресного пространства процесса, ни для тех, которые входят в состав этого пространства, но не имеют в настоящий момент физического аналога в памяти. Фатальная ошибка памяти произошла в результате обращения ядра по виртуальному адресу страницы, поэтому ядро выходит на соответствующую этой странице запись в таблице страниц и дескриптор дискового блока. Чтобы предотвратить взаимную блокировку, которая может произойти, если "сборщик" попытается выгрузить страницу из памяти, ядро фиксирует в памяти область с соответствующей записью таблицы страниц. Если в дескрипторе дискового блока отсутствует информация о странице, сделанная ссылка на страницу является недопустимой и ядро посылает процессу-нарушителю сигнал о "нарушении сегментации". Такой порядок действий совпадает с тем порядком, которого придерживается ядро, когда процесс обратился по неверному адресу, если не принимать во внимание то обстоятельство, что ядро узнает об ошибке немедленно, так как все "доступные" страницы являются резидентными в памяти. Если ссылка на страницу сделана правильно, ядро выделяет физическую страницу в памяти и считывает в нее содержимое виртуальной страницы с устройства выгрузки или из исполняемого файла.

Страница, вызвавшая отказ, находится в одном из пяти состояний:

1. На устройстве выгрузки вне памяти.

2. В списке свободных страниц в памяти.

3. В исполняемом файле.

4. С пометкой "обнуляемая при обращении".

5. С пометкой "заполняемая при обращении".

Рассмотрим каждый случай в подробностях.

Если страница находится на устройстве выгрузки, вне памяти (случай 1), это означает, что она когда-то располагалась в памяти, но была выгружена оттуда "сборщиком" страниц. Обратившись к дескриптору дискового блока, ядро узнает из него номера устройства выгрузки и блока, где расположена страница, и проверяет, не осталась ли страница в кэше. Ядро корректирует запись таблицы страниц так, чтобы она указывала на страницу, которую предполагается считать в память, включает соответствующую запись таблицы pfdata в хеш-очередь (облегчая последующую обработку отказа) и считывает страницу с устройства выгрузки. Допустивший ошибку процесс приостанавливается до момента завершения ввода-вывода; вместе с ним будут возобновлены все процессы, ожидавшие загрузки содержимого страницы.

     алгоритм vfault     /* обработка отказа из-за отсутствия   

                            (недоступности) данных */           

     входная информация:  адрес, по которому получен отказ      

     выходная информация: отсутствует                           

     {                                                          

        найти область, запись в таблице страниц, дескриптор дис-

         кового блока, связанные с адресом, по которому получен 

         отказ, заблокировать область;                          

        если (адрес не принадлежит виртуальному адресному прост-

        ранству процесса)                                      

        {                                                       

           послать сигнал (SIGSEGV: нарушение сегментации) про- 

            цессу;                                              

           перейти на out;                                      

        }                                                       

        если (адрес указан неверно)   /* возможно, процесс нахо-

                                         дился в состоянии при- 

                                         останова */            

           перейти на out;                                      

        если (страница имеется в кэше)                          

        {                                                       

           убрать страницу из кэша;                             

           поправить запись в таблице страниц;                  

           выполнять пока (содержимое страницы не станет доступ-

            ным)     /* другой процесс получил такой же отказ,  

                      * но раньше */                            

               приостановиться;                                 

        }                                                       

        в противном случае     /* страница отсутствует в кэше */

        {                                                       

           назначить области новую страницу;           

           поместить новую страницу в кэш, откорректировать за- 

           пись в таблице pfdata;                              

           если (страница ранее не загружалась в память и имеет 

            пометку "обнуляемая при обращении")                 

               очистить содержимое страницы;                    

           в противном случае                                   

           {                                                    

               считать виртуальную страницу с устройства выгруз-

                ки или из исполняемого файла;                   

               приостановиться (до завершения ввода-вывода);    

           }                                                    

           возобновить процессы (ожидающие загрузки содержимого 

            страницы);                                          

        }                                                       

        установить бит доступности страницы;                    

        сбросить бит модификации и "возраст" страницы;          

        пересчитать приоритет процесса;                         

      out: снять блокировку с области;                          

     }                                                          

Рис.19. Алгоритм обработки отказа из-за отсутствия (недоступности) данных

Обратимся к рис.20. В качестве примера рассмотрим запись таблицы страниц, связанную с виртуальным адресом 66К. Если при обращении к странице процесс получает отказ из-за недоступности данных, программа обработки отказа обращается к дескриптору дискового блока и обнаруживает то, что страница находится на устройстве выгрузки в блоке с номером 847 (если предположить, что в системе только одно устройство выгрузки): следовательно, виртуальный адрес указан верно. Затем программа обработки отказа обращается к кэшу, но не находит информации о дисковом блоке с номером 847. Таким образом, копия виртуальной страницы в памяти отсутствует и программа обработки отказа должна загрузить ее с устройства выгрузки. Ядро отводит физическую страницу с номером 1776 рис.21, считывает в нее с устройства выгрузки содержимое виртуальной страницы и перенастраивает запись таблицы страниц на страницу с номером 1776. В завершение ядро корректирует дескриптор дискового блока, делая указание о том, что страница загружена, а также запись таблицы pfdata, отмечая, что на устройстве выгрузки в блоке с номером 847 содержится дубликат виртуальной страницы.

Рис.21. Результат загрузки страницы в память

При обработке отказов из-за недоступности данных ядро не всегда прибегает к выполнению операции ввода-вывода, даже когда из дескриптора дискового блока видно, что страница загружена (в случае 2). Может случиться так, что ядро после выгрузки содержимого физической страницы так и не переприсвоило ее или же какой-то иной процесс в результате отказа загрузил содержимое виртуальной страницы в другую физическую страницу. В любом случае программа обработки отказа обнаруживает страницу в кэше, в качестве ключа используя номер блока в дескрипторе дискового блока. Она перенастраивает соответствующую запись в таблице страниц на только что найденную страницу, увеличивает значение счетчика ссылок на страницу и в случае необходимости убирает страницу из списка свободных страниц. Предположим, к примеру, что процесс получил отказ при обращении к виртуальному адресу 64К рис.20.

Рис.20. Иллюстрация к отказу из-за недоступности данных

Просматривая кэш, ядро устанавливает, что страничный блок с номером 1861 связан с дисковым блоком 1206. Ядро перенастраивает запись таблицы страниц с виртуальным адресом 64К на страницу с номером 1861, устанавливает бит доступности и передает управление программе обработки отказа. Таким образом, номер дискового блока связывает вместе записи таблицы страниц и таблицы pfdata, чем и объясняется его запоминание в обеих таблицах.

Как и ядру, программе обработки отказа не нужно считывать страницу в память, если какой-то иной процесс уже получил отказ по той же самой странице, но еще не полностью загрузил ее. Программа находит область с записью таблицы страниц, которую она уже ранее заблокировала. Она дожидается, пока будет закончен цикл обработки предыдущего отказа, после чего обнаруживает, что страница стала доступной, и завершает свою работу. Эта процедура прослеживается на рис.22.

Рис.22. Два отказа на одной странице

Если копия страницы находится не на устройстве выгрузки, а в исполняемом файле (случай 3), ядро загружает страницу из файла. Программа обработки отказа обращается к дескриптору дискового блока, ищет соответствующий номер логического блока внутри файла, содержащего страницу, и индекс, ассоциированный с записью таблицы областей. Номер логического блока используется программой в качестве смещения внутри списка номеров дисковых блоков, присоединенного к индексу во время выполнения функции exec. По номеру блока на диске программа считывает страницу в память. Так, например, дескриптор дискового блока, связанный с виртуальным адресом 1К, показывает, что содержимое страницы располагается в исполняемом файле, внутри логического блока с номером 3 рис.20.

Если процесс получил отказ при обращении к странице, имеющей пометку "заполняемая при обращении" или "обнуляемая при обращении" (случаи 4 и 5), ядро выделяет свободную страницу в памяти и корректирует соответствующую запись таблицы страниц. Если страница "обнуляемая при обращении", ядро также очищает ее содержимое. В завершение обработки флаги "заполняемая при обращении" и "обнуляемая при обращении" сбрасываются. Теперь страница находится в памяти, доступна процессам и ее содержимое не имеет аналогов ни на устройстве выгрузки, ни в файловой системе. Так происходит, если процесс обращается к страницам с виртуальными адресами 3К и 65К рис.20 ни один из процессов не обращался к этим страницам с тех пор, как файл был запущен на выполнение функцией exec.

В завершение своей работы программа обработки отказов из-за отсутствия (недоступности) данных устанавливает бит доступности страницы и сбрасывает бит модификации. Приоритет процесса при этом пересчитывается, ибо во время выполнения программы процесс мог приостановить свое выполнение на уровне ядра, получая тем самым по возвращении в режим задачи незаслуженное преимущество перед другими процессами. И, наконец, возвращаясь в режим задачи, программа проверяет, не было ли за время обработки отказа поступления каких-либо сигналов.

Вторым типом отказа, встречающегося при обращении к странице, является отказ системы защиты, который означает, что процесс обратился к существующей странице памяти, но судя по разрядам, описывающим права доступа к странице, доступ к ней со стороны текущего процесса не разрешен. (Вспомним пример, описывающий попытку процесса произвести запись данных в область команд; Отказ данного типа имеет место также тогда, когда процесс предпринимает попытку записать что-то на страницу, для которой во время выполнения системной функции fork был установлен бит копирования при записи. Ядро должно различать между собой ситуации, когда отказ произошел по причине того, что страница требует копирования при записи, и когда имело место действительно что-то недопустимое.

Программа обработки отказа системы защиты автоматически получает виртуальный адрес, по которому произошел отказ, и ведет поиск соответствующей области и записи таблицы страниц рис.23.

     алгоритм pfault    /* обработка отказа системы защиты */   

     входная информация:  адрес, по которому получен отказ      

     выходная информация: отсутствует                           

     {                                                          

        найти область, запись в таблице страниц, дескриптор дис-

         кового блока, связанные с адресом, по которому получен 

         отказ, заблокировать область;                          

        если (страница недоступна в памяти)                     

            перейти на out;                                     

        если (бит копирования при записи не установлен)         

            перейти на out;    /* программная ошибка - сигнал */

        если (счетчик ссылок на страничный блок > 1)            

        {                                                       

            выделить новую физическую страницу;                 

            скопировать в нее содержимое старой страницы;       

            уменьшить значение счетчика ссылок на старый стра-  

             ничный блок;                                       

            перенастроить запись таблицы страниц на новую физи- 

             ческую страницу;                                   

        }                                                       

        в противном случае   /* убрать страницу, поскольку она  

                              * никем больше не используется */ 

        {                                                       

            если (копия страницы имеется на устройстве выгрузки)

                 освободить место на устройстве, разорвать связь

                  со страницей;                                 

            если (страница находится в хеш-очереди страниц)     

                 убрать страницу из хеш-очереди;                

        }                                                       

        в записи таблицы страниц установить бит модификации,    

         сбросить бит копирования при записи;                   

        пересчитать приоритет процесса;                         

        проверить, не поступали ли сигналы;                     

      out: снять блокировку с области;                          

     }                                                          

Рис.23. Алгоритм обработки отказа системы защиты

Она блокирует область, чтобы "сборщик" страниц не мог выгрузить страницу, пока связанный с ней отказ не будет обработан. Если программа обработки отказа устанавливает, что причиной отказа послужила установка бита копирования при записи, и если страницу используют сразу несколько процессов, ядро выделяет в памяти новую страницу и копирует в нее содержимое старой страницы; ссылки других процессов на старую страницу сохраняют свое значение. После копирования и внесения в запись таблицы страниц нового номера страницы ядро уменьшает значение счетчика ссылок в записи таблицы pfdata, соответствующей старой странице. Вся процедура показана на рис.26, где три процесса совместно используют физическую страницу с номером 828. Процесс B считывает страницу, но поскольку бит копирования при записи установлен, получает отказ системы защиты. Программа обработки отказа выделяет страницу с номером 786, копирует в нее содержимое страницы 828, уменьшает значение счетчика ссылок на скопированную страницу и перенастраивает соответствующую запись таблицы страниц на страницу с номером 786.

Рис.24. Отказ системы защиты из-за установки бита копирования при записи

Если бит копирования при записи установлен, но страница используется только одним процессом, ядро дает процессу возможность воспользоваться физической страницей повторно. Оно отключает бит копирования при записи и разрывает связь страницы с ее копией на диске (если таковая существует), поскольку не исключена возможность того, что дисковой копией пользуются другие процессы. Затем ядро убирает запись таблицы pfdata из очереди страниц, ибо новая копия виртуальной страницы располагается не на устройстве выгрузки. Кроме того, ядро уменьшает значение счетчика ссылок на страницу в таблице использования области подкачки, и если это значение становится равным 0, освобождает место на устройстве.

Если запись в таблице страниц указывает на то, что страница недоступна, и ее бит копирования при записи установлен, выступая поводом для отказа системы защиты, допустим, что система при обращении к странице сначала обрабатывает отказ из-за недоступности данных. Несмотря на это, программа обработки отказа системы защиты все равно обязана убедиться в доступности страницы, поскольку при установке блокировки на область программа может приостановиться, а "сборщик" страниц тем временем может выгрузить страницу из памяти. Если страница недоступна (бит доступности сброшен), программа немедленно завершит работу и процесс получит отказ из-за недоступности данных. Ядро обработает этот отказ, но процесс вновь получит отказ системы защиты. Более чем вероятно, что заключительный отказ системы защиты будет обработан без каких-либо препятствий и помех, поскольку пройдет довольно значительный период времени, прежде чем страница достаточно "созреет" для выгрузки из памяти. Описанная последовательность событий показана на рис.25.

Рис.25. Взаимодействие отказа системы защиты и отказа из-за недоступности данных

Перед завершением программа обработки отказа системы защиты устанавливает биты модификации и защиты, но сбрасывает бит копирования при записи. Она пересчитывает приоритет процесса и проверяет, не поступали ли за время ее работы сигналы, предназначенные процессу, в точности повторяя то, что делается по завершении обработки отказа из-за недопустимости данных.

Наибольшая действенность алгоритмов замещения страниц по запросу (обращению) достигается в том случае, если биты упоминания и модификации устанавливаются аппаратным путем и тем же путем вызывается отказ системы защиты при попытке записи в страницу, имеющую признак "копирования при записи". Тем не менее, указанные алгоритмы вполне применимы даже тогда, когда аппаратура распознает только бит доступности и код защиты. Если бит доступности, устанавливаемый аппаратно, дублируется программно-устанавливаемым битом, показывающим, действительно ли страница доступна или нет, ядро могло бы отключить аппаратно-устанавливаемый бит и проимитировать установку остальных битов программным путем. Так, например, в машине VAX-11 бит упоминания отсутствует. Ядро может отключить аппаратно-устанавливаемый бит доступности для страницы и дальше работать по следующему плану. Если процесс ссылается на страницу, он получает отказ, поскольку бит доступности сброшен, и в игру вступает программа обработки отказа, исследующая страницу. Поскольку "программный" бит доступности установлен, ядро знает, что страница действительно доступна и находится в памяти; оно устанавливает "программный" бит упоминания и "аппаратный" бит доступности, но ему еще предстоит узнать о том, что на страницу была сделана ссылка. Последующие ссылки на страницу уже не встретят отказ, ибо "аппаратный" бит доступности установлен. Когда с ней будет работать "сборщик" страниц, он вновь сбросит "аппаратный" бит доступности, вызывая тем самым от казы на все последующие обращения к странице и возвращая систему к началу цикла. Этот случай показан на рис.26.

Рис.26. Имитация установки "аппаратного" бита модификации программными средствами

Несмотря на то, что в системах с замещением страниц по запросу обращение с памятью отличается большей гибкостью по сравнению с системами подкачки процессов, возможно возникновение ситуаций, в которых "сборщик" страниц и программа обработки отказов из-за недоступности данных начинают мешать друг другу из-за нехватки памяти. Если сумма рабочих множеств всех процессов превышает объем физической памяти в машине, программа обработки отказов обычно приостанавливается, поскольку выделять процессам страницы памяти дальше становится невозможным. "Сборщик" страниц не сможет достаточно быстро освободить место в памяти, ибо все страницы принадлежат рабочему множеству. Производительность системы падает, поскольку ядро тратит слишком много времени на верхнем уровне, с безумной скоростью перестраивая память.

Ядро в версии V манипулирует алгоритмами подкачки процессов и замещения страниц так, что проблемы соперничества перестают быть неизбежными. Когда ядро не может выделить процессу страницы памяти, оно возобновляет работу процесса подкачки и переводит пользовательский процесс в состояние, эквивалентное состоянию "готовности к запуску, будучи зарезервированным". В этом состоянии одновременно могут находиться несколько процессов. Процесс подкачки выгружает один за другим целые процессы, пока объем доступной памяти в системе не превысит верхнюю отметку. На каждый выгруженный процесс приходится один процесс, загруженный в память из состояния "готовности к выполнению, будучи зарезервированным". Ядро загружает эти процессы не с помощью обычного алгоритма подкачки, а путем обработки отказов при обращении к соответствующим страницам. На последующих итерациях процесса подкачки при условии наличия в системе достаточного объема свободной памяти будут обработаны отказы, полученные другими пользовательскими процессами. Применение такого метода ведет к снижению частоты возникновения системных отказов и устранению соперничества: по идеологии он близок к методам, используемым в операционной системе VAX/VMS ([Levy 82]).

Прочитанная глава была посвящена рассмотрению алгоритмов подкачки процессов и замещения страниц, используемых в версии V системы UNIX. Алгоритм подкачки процессов реализует перемещение процессов целиком между основной памятью и устройством выгрузки. Ядро выгружает процессы из памяти, если их размер поглощает всю свободную память в системе (в результате выполнения функций fork, exec и sbrk или в результате естественного увеличения стека), или в том случае, если требуется освободить память для загрузки процесса. Загрузку процессов выполняет специальный процесс подкачки (процесс 0), который запускается всякий раз, как на устройстве выгрузки появляются процессы, готовые к выполнению. Процесс подкачки не прекращает своей работы до тех пор, пока на устройстве выгрузки не останется ни одного такого процесса или пока в основной памяти не останется свободного места. В последнем случае процесс подкачки пытается выгрузить что-нибудь из основной памяти, но в его обязанности входит также слежение за соблюдением требования минимальной продолжительности пребывания выгружаемых процессов в памяти (в целях предотвращения холостой перекачки); по этой причине процесс подкачки не всегда достигает успеха в своей работе. Возобновление процесса подкачки в случае возникновения необходимости в нем производит с интервалом в одну секунду программа обработки прерываний по таймеру.

В системе с замещением страниц по запросу процессы могут исполняться, даже если их виртуальное адресное пространство загружено в память не полностью; поэтому виртуальный размер процесса может превышать объем доступной физической памяти в системе. Когда ядро испытывает потребность в свободных страницах, "сборщик" страниц просматривает все активные страницы в каждой области, помечая для выгрузки те из них, которые достаточно "созрели" для этого, и в конечном итоге откачивает их на устройство выгрузки. Когда процесс обращается к виртуальной странице, которая в настоящий момент выгружена из памяти, он получает отказ из-за недоступности данных. Ядро запускает программу обработки отказа, которая назначает области новую физическую страницу памяти и копирует в нее содержимое виртуальной страницы.

Повысить производительность системы при использовании алгоритма замещения страниц по запросу можно несколькими способами. Во-первых, если процесс вызывает функцию fork, ядро использует бит копирования при записи, тем самым в большинстве случаев снимая необходимость в физическом копировании страниц. Во-вторых, ядро может запросить содержимое страницы исполняемого файла прямо из файловой системы, устраняя потребность в вызове функции exec для незамедлительного считывания файла в память. Это способствует повышению производительности, поскольку не исключена возможность того, что подобные страницы так никогда и не потребуются процессу, и устраняет излишнюю холостую перекачку, имеющую место в том случае, если "сборщик" страниц выгружает эти страницы из памяти до того, как в них возникает потребность.

  (***) Если при исполнении команды возникает ошибка, связанная с отсутствием страницы, после обработки ошибки ЦП обязан перезапустить команду, поскольку промежуточные результаты, полученные к моменту возникновения ошибки, могут быть утрачены.

(****) Функция exit используется в варианте _exit, потому что она "очищает" структуры данных, передаваемые через стандартный ввод-вывод (на пользовательском уровне), для обоих процессов, так что оператор printf, используемый родителем, не даст правильный результат - еще один нежелательный побочный эффект от применения функции vfork.

 Мариус Бах. Структура операционной системы UNIX (The design of the Unix operating system by Maurice J. Bach.). Серия книг по программному обеспечению издательства Prentice Hall.