Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Подкачка страниц (англ. paging; иногда используется термин swapping от swap, /swp/) — один из механизмов виртуальной памяти, при котором отдельные фрагменты памяти (обычно неактивные) перемещаются из ОЗУ во вторичное хранилище (жёсткий диск или другой внешний накопитель, такой как флеш-память), освобождая ОЗУ для загрузки других активных фрагментов памяти. Такими фрагментами в современных ЭВМ являются страницы памяти.
Временно выгруженные из памяти страницы могут сохраняться на внешних запоминающих устройствах как в файле, так и в специальном разделе на жёстком диске (partition), называемых соответственно swap-файл и swap-раздел. В случае необходимости выгрузить из ОЗУ страницы, соответствующие содержимому какого-либо файла на жёстком диске (например, memory-mapped files), они могут не выгружаться, а просто удаляться. При запросе такой страницы она может быть считана из оригинального файла.
Когда приложение обратится к отсутствующей в ОЗУ странице, произойдет исключительная ситуация PageFault. Обработчик этого события должен проверить, была ли запрошенная страница ранее выгружена, и, если она есть в swap-файле, загрузить её обратно в память.
Содержание
История
Изначально под свопингом понималась выгрузка процесса из оперативной памяти целиком, в результате чего неактивные процессы могли полностью отсутствовать в ОЗУ. При наступлении условий активизации процесса диспетчер памяти загружал образ процесса обратно.
Смысл термина изменился в 60-х годах, когда в операционных системах появилась поддержка виртуальной памяти: под свопингом стали понимать загрузку и выгрузку отдельных страниц. Впервые подкачка страниц была реализована в компьютере Atlas, выпущенном в 1962 году.
Отказы страниц
Основные функции механизма подкачки выполняются при попытке программы получить доступ к страницам, в данный момент не отображенным в физическую память (ОЗУ). Эта ситуация называется отказом страницы. В этот момент операционная система должна получить управление и обработать отказ страницы в прозрачной для программы форме. Таким образом, операционной системе необходимо:
- Определить расположение требуемой страницы во вторичном хранилище.
- Получить пустой страничный кадр в физической памяти для использования в качестве контейнера для данных.
- Загрузить запрошенные данные в полученный страничный кадр.
- Обновить таблицу страниц, чтобы она указывала на новый страничный кадр.
- В прозрачной форме вернуть управление программе, повторно выполнив вызвавшую ошибку страницы инструкцию.
Если при получении пустого страничного кадра не хватает свободной оперативной памяти, выполняется алгоритм замены страниц, осуществляющий выбор одного из использующихся страничных кадров для выгрузки. Если выгружаемый страничный кадр был выделен динамически во время выполнения программы либо если он является частью сегмента данных программы и изменялся с момента чтения в память (другими словами, если он стал «грязный»), перед освобождением он должен быть сохранён во вторичном хранилище. В противном случае содержимое страничного кадра в оперативной памяти не отличается от содержимого страницы во вторичном хранилище, поэтому его выгрузка не требуется. Если позже в процессе работы произойдёт обращение к выгруженной странице, возникнет другой отказ страницы и нужно будет снова выделить страничный кадр, чтобы содержимое страницы во вторичном хранилище можно было повторно загрузить в ОЗУ.
Для обеспечения эффективной работы система подкачки должна выбирать для выгрузки те страничные кадры, обращение к которым в ближайшее время наименее вероятно. Существуют различные алгоритмы замещения страниц. В операционных системах используются алгоритмы LRU (англ. Last recently used), FIFO (англ. First In First Out) либо алгоритмы с учётом рабочего множества процесса[1].
Для дальнейшего улучшения времени отклика системами подкачки могут использоваться различные стратегии прогнозирования ближайших обращений к страницам. Такие системы пытаются загрузить страницы в основную память заблаговременно, до того, как программа обратится к ним.
Алгоритмы определения устаревших страниц
При выделении места для новой страницы бывает необходимо удалить какую-либо страницу, в данный момент находящуюся в памяти. Правила замещения страниц служат для принятия решения о том, какую именно страницу следует удалить из памяти. Идеальным кандидатом является «мёртвая» страница, которая больше не потребуется кому-либо (например, относится к завершённому процессу). Если же таких страниц нет в памяти (или их количества недостаточно), используется правило локального или глобального замещения страниц:
- Правило локального замещения выделяет каждому процессу или группе взаимосвязанных процессов определённое количество страниц. Если процессу нужна новая страница, он должен заменить одну из собственных.
- Правило глобального замещения страниц позволяет брать страницы любого процесса, используя глобальные критерии выбора. Для реализации данного подхода необходимо выбрать критерий, по которому будет приниматься решение о страницах, хранимых в памяти.
Наиболее часто используемые критерии поиска:
- Least recently used. Удаляются те страницы, доступ к которым производился наиболее давно. Считается, что в последующем к таким страницам будет происходить минимум обращений.
- Last recently used. Удаляются недавно освободившиеся страницы. Подразумеваются страницы только что завершившихся процессов.
Пробуксовка
Большинство программ не использует всю выделенную им память одновременно, а только некоторую её часть, определяемую выполняемыми в данный момент инструкциями и требующимися им данными. Если программа отвечает принципу локальности, то используемая часть памяти может быть существенно меньше всей выделенной программе памяти. Размер этой используемой части отражает достижение программой некоторого стабильного состояния в потреблении памяти и часто называется рабочим множеством.
Системы с виртуальной памятью работают эффективно, когда сумма рабочих множеств всех процессов не превышает размер физической оперативной памяти. В этом случае время, требуемое на обработку отказов страниц не оказывает большого влияния на производительность. Однако, программа, работающая с большими структурами данных, может иметь слишком большой рабочий набор, который система подкачки не сможет эффективно обслуживать. Это приведет к непрерывному потоку отказов страниц и резкому снижению производительности компьютера. Такая ситуация называется пробуксовкой: страницы непрерывно выгружаются, а затем к ним происходит обращение, вызывая частые отказы страниц.
Интересной особенностью пробуксовки является медленный до определённой критической точки рост числа отказов страниц по мере роста рабочего множества. После достижения этой критической точки число отказов страниц резко возрастает и на их обработку тратится большая часть вычислительной мощности.
Для исключения пробуксовки пользователь может предпринять следующие действия:
- Увеличить объём оперативной памяти компьютера.
- Сократить число одновременно выполняющихся программ.
- Изменить приоритеты процессов так, чтобы часть из них завершилась быстрее и освободила часть ресурсов.
Недостатки и возможность их преодоления
В случае расположения данных виртуальной памяти на внешних запоминающих устройствах (например, жестких дисках), как чаще всего и происходит, доступ к памяти замедляется (по сравнению с оперативными запоминающими устройствами).
С большой вероятностью, использование свопинга на SSD накопителях (имеют ограниченное количество циклов перезаписи) уменьшает срок их службы, но увеличивает быстродействие подкачки.
В 32-разрядной Windows XP, Vista, 7 для своп-файла можно использовать оперативную память за пределами 3-го гигабайта, используя сторонние программы по созданию электронных дисков, хранящихся в памяти.
В Linux поддерживается сходный механизм, zswap, размещающий своп в памяти в сжатом виде.
Файлы и разделы подкачки
Реализация хранения виртуальных данных в различных операционных системах различается в силу архитектурных особенностей их ядер и файловых систем.
Фрагментация файла подкачки
|
|