Материал: Управление памятью компьютера
В [Таненбаум, 2002] рассмотрен вариант реализации алгоритма LRU со специальным 64-битным указателем, который автоматически увеличивается на единицу после выполнения каждой инструкции, а в таблице страниц имеется соответствующее поле, в которое заносится значение указателя при каждой ссылке на страницу. При возникновении page fault выгружается страница с наименьшим значением этого поля.
Как оптимальный алгоритм, так и LRU не страдают от аномалии Би-лэди. Существует класс алгоритмов, для которых при одной и той же строке обращений множество страниц в памяти для п кадров всегда является подмножеством страниц для п+1 кадра. Эти алгоритмы не проявляют аномалии Билэди и называются стековыми (stack) алгоритмами.
Выталкивание редко используемой страницы. Алгоритм NFU
Поскольку большинство современных процессоров не предоставляют соответствующей аппаратной поддержки для реализации алгоритма LRU, хотелось бы иметь алгоритм, достаточно близкий к LRU, но не требующий специальной поддержки.
Программная реализация алгоритма, близкого к LRU, - алгоритм NFU (Not Frequently Used).
Для него требуются программные счетчики, по одному на каждую страницу, которые сначала равны нулю. При каждом прерывании по времени (а не после каждой инструкции) операционная система сканирует все страницы в памяти и у каждой страницы с установленным флагом обращения увеличивает на единицу значение счетчика, а флаг обращения сбрасывает.
Таким образом, кандидатом на освобождение оказывается страница с наименьшим значением счетчика, как страница, к которой реже всего обращались. Главный недостаток алгоритма NFU состоит в том, что он ничего не забывает. Например, страница, к которой очень часто обращались в течение некоторого времени, а потом обращаться перестали, все равно не будет удалена из памяти, потому что ее счетчик содержит большую величину. Например, в многопроходных компиляторах страницы, которые активно использовались во время первого прохода, могут надолго сохранить большие значения счетчика, мешая загрузке полезных в дальнейшем страниц.
К счастью, возможна небольшая модификация алгоритма, которая позволяет ему «забывать». Достаточно, чтобы при каждом прерывании по времени содержимое счетчика сдвигалось вправо на 1 бит, а уже затем производилось бы его увеличение для страниц с установленным флагом обращения.
Другим, уже более устойчивым недостатком алгоритма является длительность процесса сканирования таблиц страниц.
Другие алгоритмы
Для полноты картины можно упомянуть еще несколько алгоритмов.
Например, алгоритм Second-Chance - модификация алгоритма FIFO, которая позволяет избежать потери часто используемых страниц с помощью анализа флага обращений (бита ссылки) для самой старой страницы. Если флаг установлен, то страница, в отличие от алгоритма FIFO, не выталкивается, а ее флаг сбрасывается, и страница переносится в конец очереди. Если первоначально флаги обращений были установлены для всех страниц (на все страницы ссылались), алгоритм Second-Chance превращается в алгоритм FIFO. Данный алгоритм использовался в Multics и BSD Unix.
В компьютере Macintosh использован алгоритм NRU (Not Recently-Used), где страница - «жертва» выбирается на основе анализа битов модификации и ссылки. Интересные стратегии, основанные на буферизации страниц, реализованы в VAX/VMS и Mach.
Имеется также и много других алгоритмов замещения. Объем этого курса не позволяет рассмотреть их подробно. Подробное описание различных алгоритмов замещения можно найти в монографиях [Дейтел, 1987], [Цикритис, 1977], [Таненбаум, 2002] и др.
Итак, что делать, если в распоряжении процесса имеется недостаточное число кадров? Нужно ли его приостановить с освобождением всех кадров? Что следует понимать под достаточным количеством кадров?
Трешинг (Thrashing)
Хотя теоретически возможно уменьшить число кадров процесса до минимума, существует какое-то число активно используемых страниц, без которого процесс часто генерирует page faults. Высокая частота страничных нарушений называется трешинг (thrashing, иногда употребляется русский термин «пробуксовка», см. рис. 10.3). Процесс находится в состоянии трешинга, если при его работе больше времени уходит на подкачку страниц, нежели на выполнение команд. Такого рода критическая ситуация возникает вне зависимости от конкретных алгоритмов замещения.
Часто результатом трешинга является
снижение производительности вычислительной системы. Один из нежелательных
сценариев развития событий может выглядеть следующим образом. При глобальном
алгоритме замещения процесс, которому не хватает кадров, начинает отбирать
кадры у других процессов, которые в свою очередь начинают заниматься тем же. В
результате все процессы попадают в очередь запросов к устройству вторичной
памяти (находятся в состоянии ожидания), а очередь процессов в состоянии
готовности пустеет. Загрузка процессора снижается. Операционная система
реагирует на это увеличением степени мультипрограммирования, что приводит к еще
большему трешингу и дальнейшему снижению загрузки процессора. Таким образом,
пропускная способность системы падает из-за трешинга.
Частота page faults в зависимости от
количества кадров, выделенных процессу
Эффект трешинга, возникающий при использовании глобальных алгоритмов, может быть ограничен за счет применения локальных алгоритмов замещения. При локальных алгоритмах замещения если даже один из процессов попал в трешинг, это не сказывается на других процессах. Однако он много времени проводит в очереди к устройству выгрузки, затрудняя подкачку страниц остальных процессов.
Критическая ситуация типа трешинга возникает вне зависимости от конкретных алгоритмов замещения. Единственным алгоритмом, теоретически гарантирующим отсутствие трешинга, является рассмотренный выше не реализуемый на практике оптимальный алгоритм.
Итак, трешинг - это высокая частота страничных нарушений. Необходимо ее контролировать. Когда она высока, процесс нуждается в кадрах. Можно, устанавливая желаемую частоту page faults, регулировать размер процесса, добавляя или отнимая у него кадры. Может оказаться целесообразным выгрузить процесс целиком. Освободившиеся кадры выделяются другим процессам с высокой частотой page faults.
Для предотвращения трешинга требуется
выделять процессу столько кадров, сколько ему нужно. Но как узнать, сколько ему
нужно? Необходимо попытаться выяснить, как много кадров процесс реально
использует. Для решения этой задачи Деннинг использовал модель рабочего
множества, которая основана на применении принципа локальности.
21. Модель рабочего множества
Рассмотрим поведение реальных процессов.
Процессы начинают работать, не имея в памяти необходимых страниц. В результате при выполнении первой же машинной инструкции возникает page fault, требующий подкачки порции кода. Следующий page fault происходит при локализации глобальных переменных и еще один - при выделении памяти для стека. После того как процесс собрал большую часть необходимых ему страниц, page faults возникают редко.
Таким образом, существует набор страниц (P1, P2,… Рп),
активно использующихся вместе, который позволяет процессу в момент времени t в течение некоторого
периода Т производительно работать, избегая большого количества page faults. Этот набор страниц
называется рабочим множеством W (t, T) (working set) процесса. Число страниц в рабочем множестве
определяется параметром Т, является неубывающей функцией Т и относительно
невелико. Иногда Т называют размером окна рабочего множества, через которое
ведется наблюдение за процессом (см. рис. 10.4).
Пример рабочего множества процесса
Легко написать тестовую программу, которая систематически работает с большим диапазоном адресов, но, к счастью, большинство реальных процессов не ведут себя подобным образом, а проявляют свойство локальности. В течение любой фазы вычислений процесс работает с небольшим количеством страниц.
Когда процесс выполняется, он двигается от одного рабочего множества к другому. Программа обычно состоит из нескольких рабочих множеств, которые могут перекрываться. Например, когда вызвана процедура, она определяет новое рабочее множество, состоящее из страниц, содержащих инструкции процедуры, ее локальные и глобальные переменные. После ее завершения процесс покидает это рабочее множество, но может вернуться к нему при новом вызове процедуры. Таким образом, рабочее множество определяется кодом и данными программы. Если процессу выделять меньше кадров, чем ему требуется для поддержки рабочего множества, он будет находиться в состоянии трешинга.
Принцип локальности ссылок препятствует частым изменениям рабочих наборов процессов. Формально это можно выразить следующим образом. Если в период времени (t - Т, t) программа обращалась к страницам W (t, T), то при надлежащем выборе Т с большой вероятностью эта программа будет обращаться к тем же страницам в период времени (t, t + Т). Другими словами, принцип локальности утверждает, что если не слишком далеко заглядывать в будущее, то можно достаточно точно его прогнозировать исходя из прошлого. Понятно, что с течением времени рабочий набор процесса может изменяться (как по составу страниц, так и по их числу).
Наиболее важное свойство рабочего множества - его размер. ОС должна выделить каждому процессу достаточное число кадров, чтобы поместилось его рабочее множество. Если кадры еще остались, то может быть инициирован другой процесс. Если рабочие множества процессов не помещаются в память и начинается трешинг, то один из процессов можно выгрузить на диск.
Решение о размещении процессов в памяти должно, следовательно, базироваться на размере его рабочего множества. Для впервые инициируемых процессов это решение может быть принято эвристически. Во время работы процесса система должна уметь определять: расширяет процесс свое рабочее множество или перемещается на новое рабочее множество. Если в состав атрибутов страницы включить время последнего использования tj (для страницы с номером i), то принадлежность i-й страницы к рабочему набору, определяемому параметром t в момент времени t будет выражаться неравенством: t - Т < tj < t. Алгоритм выталкивания страниц WSClock, использующий информацию о рабочем наборе процесса, описан в [Таненбаум, 2002].
Другой способ реализации данного подхода может быть основан на отслеживании количества страничных нарушений, вызываемых процессом. Если процесс часто генерирует page faults и память не слишком заполнена, то система может увеличить число выделенных ему кадров. Если же процесс не вызывает исключительных ситуаций в течение некоторого времени и уровень генерации ниже какого-то порога, то число кадров процесса может быть урезано. Этот способ регулирует лишь размер множества страниц, принадлежащих процессу, и должен быть дополнен какой-либо стратегией замещения страниц. Несмотря на то что система при этом может пробуксовывать в моменты перехода от одного рабочего множества к другому, предлагаемое решение в состоянии обеспечить наилучшую производительность для каждого процесса, не требуя никакой дополнительной настройки системы.
. Страничные демоны
Подсистема виртуальной памяти работает производительно при наличии резерва свободных страничных кадров. Алгоритмы, обеспечивающие поддержку системы в состоянии отсутствия трешинга, реализованы в составе фоновых процессов (их часто называют демонами или сервисами), которые периодически «просыпаются» и инспектируют состояние памяти. Если свободных кадров оказывается мало, они могут сменить стратегию замещения. Их задача - поддерживать систему в состоянии наилучшей производительности.
Примером такого рода процесса может быть фоновый процесс - сборщик страниц, реализующий облегченный вариант алгоритма откачки, основанный на использовании рабочего набора и применяемый во многих клонах ОС Unix (см., например, [Bach, 1986]). Данный демон производит откачку страниц, не входящих в рабочие наборы процессов. Он начинает активно работать, когда количество страниц в списке свободных страниц достигает установленного нижнего порога, и пытается выталкивать страницы в соответствии с собственной стратегией.
Но если возникает требование страницы в условиях, когда список свободных страниц пуст, то начинает работать механизм свопинга, поскольку простое отнятие страницы у любого процесса (включая тот, который затребовал бы страницу) потенциально вело бы к ситуации thrashing, и разрушало бы рабочий набор некоторого процесса. Любой процесс, затребовавший страницу не из своего текущего рабочего набора, становится в очередь на выгрузку в расчете на то, что после завершения выгрузки хотя бы одного из процессов свободной памяти уже может быть достаточно.