Správa paměti

Při přidělování veškeré volné paměti[1] je paměť rozdělena na dva bloky tj. na dvě souvislé části jež jsou určeny počáteční adresou. První blok je přidělen rutinám jádra operačního systému a jeho datovým strukturám – tzv. paměť jádra z anglického Kernel memory. Druhý je pak přidělován na požádání ostatním procesům – tzv. aplikační paměť z anglického Application memory. Paměť jádra sdílí všechny procesy, protože rutiny jádra včetně jeho datových struktur jsou využívány veškerými procesy při vykonávání služeb operačního systému. Aplikační paměť je soukromého charakteru, tedy přístup k ní má pouze vlastník.

Je-li paměť volná tzn. není-li alokována je přidělena procesu celá bez ohledu na požadovanou velikost, přičemž nesmí přesáhnout velikost bloku. V případě obsazené paměti jiným procesem je požadavek na přidělení odmítnut. Toto zamítnutí může mít fatální důsledky pro proces žádající o paměť. K alokování paměti vlastně dochází jen při spuštění procesu a proces ji využívá po celou dobu svého životního cyklu. K uvolnění dojde po ukončení života procesu.

Ochrana paměti je zde realizována pouze v případě ochrany paměti jádra pomocí tzv. bázového registru. V praxi jde o znemožnění použití nižších adres než je báze. V registru je uložena báze bloku aplikační paměti a paměť jádra leží tedy před tímto blokem. Proces tedy ani nemůže adresovat paměť jádra. Registr se nastavuje pomocí privilegované instrukce, která se může volat pouze v režimu jádra.

Tato strategie správy paměti se jeden čas používala ve více úlohových systémech. Kdy byl tento princip jediného bloku v paměti rozšířen o možnost odkládání paměťového regionu do sekundární neboli odkládací paměti, např. pevný disk. Avšak obnova procesu z pevného disku je velice pomalá a proto je tato strategie v dnešních systémech téměř nepoužitelná. Jak je asi pochopitelné vzniká zde problém s nedostatečným využitím aplikační paměti. V praxi to znamená, že proces s malou velikostí zabere celou aplikační paměť.

• operační paměť ISIS-2
  • nejdříve OS, pak proměnné a buffery a pak program
• operační paměť CP/M
  • prvních 100h pro OS, pak paměť pro program a pak proměnné a buffery

Nelze předem stanovit, kde (na jaké adrese) bude program uložen → program musí být relokabilní.

• použití relokační tabulky
• použití bázování a relativních skoků

Většinou se skládá ze tří regionů: kódového, datového a zásobníkového regionu. Kódový region většinou obsahuje kód programu. Datový region nese statické data programu. Vyžaduje jak zápis tak čtení a v některých systémech může změnit svoji velikost. Zásobníkový region já charakter LIFO a jsou zde obsaženy lokální datové proměnné a návratové adresy funkcí.

• Metoda mezních registrů – užití dvou mezních registrů (nastavuje OS), které uvádějí nejnižší a nejvyšší dostupnou adresu. V limitním registru procesoru je uložena hodnota aktuálního paměťového regionu. Hodnota lokální adresy se porovnává s hodnotou limitního registru. Pokud je tato hodnota větší, následuje vyvolání výjimky – proces se pokouší zapsat mimo region.

• Mechanismus zámků a klíčů – rozdělení paměti na stránky o pevné velikosti. Každé je přidělen zámek (celé číslo). Ve speciálním registru procesoru je klíč. Ty stránky, které mají stejnou hodnotu zámku jako je hodnota klíče, může proces používat.

• First fit – vybere se první blok kde je délka větší nebo rovna chtěné velikosti
• Last fit – přidělí se poslední vyhovující
• Worst fit – přidělí největší volný blok

• (exact- or) worst-fit

Vybere buď blok o stejné velikosti, nebo pokud takový neexistuje největší existující

• first-fit

První z řady. Projíždíš pro každé číslo celou řadu a hledáš první hodnotu do které se vejde

• best-fit

Vybere buď blok o stejné velikosti, nebo nejlépe padnoucí (s nejmenší možnou velikostí)

Je v tomto případě realizováno na počátku každého bloku, informace zde tvoří jakousi hlavičku.

• Metoda mezních registrů
  • paměť je rozdělena na bloky různých velikostí (segmenty)
  • každému programu je přiřazena bázová adresa (privilegovanou operací)
  • program pracuje s tzv. logickou adresou (offset)
  • program nesmí adresou offsetu přesáhnout jemu přidělený adresovatelný limit
  • při porušení ochrany → vnitřní přerušení (zařídí OS)
  • metoda mezních registrů se běžně používá v architektuře x86
• Stránkování
  • podporuje virtualizaci paměti, multitasking a sdílení paměti mezi procesy
  • proces pracuje s virtuální pamětí, jejíž velikost je rovna maximální možné adresovatelné hodnotě daného systému
  • paměť je rozdělena na bloky stejných velikostí (vyspělejší architektury ovšem podporují různé, avšak předem definované, velikosti bloků (např.: ARM) )
  • každý proces dostane přidělenou tabulku (tzv. primární tabulku), ve které pevně daný počet položek definuje:
    • překlad každé virtuální adresy na fyzickou adresu, nebo odkaz na tabulku vyšší úrovně – existuje-li překlad takové stránky pro proces, je tato část povinná
    • příznak existence stránky (stránka může být uložena na externím úložišti, nebo pro proces neexistuje (výpadek stránky) → zařídí OS)
    • přístupové práva (čtení, zápis, stránka obsahující spustitelný kód)
    • příznak umožňující položky ze stránky ukládat do mezipaměti procesoru
    • a další…

• Mechanismus zámků a klíčů
  • paměť je rozdělena na bloky stejné velikosti (např. 4 KiB)
  • každému programu přidělíme zámek (celé číslo)
  • bloky patřící danému programu označujeme stejným číslem (zámek)
  • v CPU je speciální registr s číslem běžícího procesu programu (klíč)
  • CPU povolí jen typ operace s pamětí, kde zámek=klíč
  • při porušení ochrany → vnitřní přerušení (zařídí OS)
  • speciální klíč 0 slouží OS (bez ochrany)
  • nastavení registru s klíčem je privilegovanou instrukcí
  • zámky jsou uloženy v operační paměti jako pole
  • metoda zámků a klíčů se používá dodnes