Кіріспе

Компьютерлік жадыны басқару әдістемесі

[[Виртуалды адрестік кеңістіктегі жадыны басқару

Жадты басқару – компьютерлік жадыға қолданылатын ресурстарды басқарудың бір түрі. Жадты басқарудың ең маңызды талабы – бағдарламалардың сұрауы бойынша жадтың бөліктерін динамикалық түрде бөлуге және олар қажет болмай қалғанда қайта пайдалану үшін босатуға мүмкіндік беру. Бұл бір уақытта бірнеше процесс іске қосылатын кез келген жетілген компьютерлік жүйе үшін өте маңызды. Жадты операциялық жүйе басқарады. Алайда, тіл процессорларының жұмыс уақыты операциялық жүйеден динамикалық түрде алынған жадты, мысалы, стек құру үшін бөлуге болады. Басқа операциялық жүйелерде, мысалы Unix сияқты жүйелерде жад қолданба деңгейінде басқарылады. Адрес кеңістігіндегі жадты басқару, әдетте қолмен немесе автоматты жадты басқару ретінде жіктеледі.

Жадты қолмен басқару

Бөлшектеу сұранысын орындау міндеті жеткілікті көлемдегі пайдаланылмаған жад блогын табудан тұрады. Жад сұраныстары үлкен жиынтықтан бөліктерді бөлу арқылы қанағаттандырылады. Кейбір операциялық жүйелерде, мысалы, OS/360, бос жад әр түрлі жолдармен бөлінуі мүмкін, мысалы, OS/360-да сызықтан төмен, сызықтан жоғары және z/OS-де жолақтан жоғары. Бұл түйіндік емес дерек құрылымымен шатастыруға болмайды, яғни үйінді немесе бос сақтау. Кез келген уақытта үйіндінің кейбір бөліктері пайдаланылады, ал кейбіреулері "бос" (пайдаланылмаған) және осылайша болашақ бөлу үшін қолжетімді. C тілінде үйіндіден жадты бөліп беруге арналған функция және бұрын бөлінген жадты алып, оны "бос" деп белгілейтін (болашақ бөліністерде пайдаланылатын) функция бар. Бұл екі функцияның қарапайым іске асырылуын "Жады басқаруының ішкі жағы" мақаласынан табуға болады. Іске асыруды қиындататын бірнеше мәселе бар, мысалы, сыртқы фрагментация, ол бөлінген жад блоктары арасында көптеген кішкентай бос орындар пайда болғанда туындайды, бұл оларды бөлу сұранысы үшін қолдану мүмкін емес етеді. Бөлгіштің метадеректері шағын бөліністердің көлемін де арттыруы мүмкін. Бұл көбінесе бөлшектеу арқылы басқарылады. Жадты басқару жүйесі олардың бір-біріне тоспауын және жадтың "жоғалмауын" (яғни "жад ақауларының" болмауын) қамтамасыз ету үшін, әлі де бөлінбеген жадтарды қадағалауы тиіс.

Тиімділік

Қолданылған динамикалық жадты бөлу алгоритмі өнімділікке маңызды әсер ете алады. Digital Equipment Corporation компаниясы 1994 жылы жүргізген зерттеу әртүрлі жад бөлушілердің қызметтеріне байланысты туындайтын шығындарды көрсетеді. Әртүрлі бағдарламалық қамтамасымен өлшенген нұсқау деңгейінің профильдеушісі бойынша, бір жад ұясын бөлу үшін қажетті ең төменгі орташа нұсқау жолының ұзындығы 52 құрады.

Қолданылу

Бөлінетін нақты орны алдын ала белгілі болмағандықтан, жадқа тікелей емес, көбінесе сілтеме арқылы қол жеткізіледі. Жад аймағын ұйымдастыру және бөліктерді бөлу мен босату үшін қолданылатын нақты алгоритм ядромен тығыз байланысты және келесі әдістердің кез келгенін пайдалана алады:

Белгілі өлшемді блоктар бөлу

Белгілі өлшемді блоктарды бөлу, сондай-ақ жад қоймасы бөлу деп аталады, жадтың белгілі бір өлшемдегі блоктарының бос тізімін пайдаланады (көбінесе барлық блоктар бірдей өлшемде болады). Бұл қарапайым кіріктірілген жүйелерде жақсы жұмыс істейді, онда үлкен объектілерді бөлу қажет болмайды, бірақ жадының фрагментациясына, әсіресе ұзын жады мекенжайларында ұшырайды. Дегенмен, едәуір төмендеген шығындарға байланысты, бұл әдіс жиі бөлінуі және босатылуы қажетті объектілер үшін өнімділікті айтарлықтай жақсарта алады, сондықтан ол көбінесе бейне ойындарда қолданылады.

Бауыршақ блоктары

Бұл жүйеде жад бір ғана емес, бірнеше жад жиындарына бөлінеді, мұнда әр жиын белгілі бір екілік дәрежедегі жад блоктарын немесе басқа да ыңғайлы өлшемді қадаммен блоктарды көрсетеді. Нақты бір өлшемдегі барлық блоктар сұрыпталған тізімде немесе ағашта сақталады, ал бөлу кезінде пайда болатын барлық жаңа блоктар кейін қолдану үшін тиісті жад жиындарына қосылады. Егер қол жетімді өлшемнен кішкентай өлшем сұралса, ең кішкентай қол жетімді өлшем таңдалып, бөлінеді. Нәтижедегі бөліктердің бірі таңдалады және сұраныс орындалғанша процесс қайталанады. Блок бөлінген кезде, бөлгіш қажетсіз бөлуден аулақ болу үшін жеткілікті үлкен ең кішкентай блоктан бастайды. Блок босатылған кезде, ол өзінің жұптысымен салыстырылады. Егер екеуі де бос болса, олар біріктіріліп, сәйкесінше үлкен өлшемді жұптық блоктар тізіміне қосылады.

Жеңіл бөлу

Бұл жадты бөлу механизмі белгілі бір типті немесе мөлшердегі объектілерге сыйымды жад бөліктерін алдын ала бөліп алады. Бұл бөліктер кэштер деп аталады, ал жад бөлуші тек бос кэш ұяларының тізімін қадағалауы керек. Объекті құрылғанда кез келген бос кэш ұясы қолданылады, ал объекті жойылғанда ұя бос кэш ұяларының тізіміне қайта қосылады. Бұл тәсіл жадтың фрагментациясын азайтады және тиімді, себебі жадтың қолайлы бөлігін іздеудің қажеті жоқ, кез келген бос ұя жеткілікті.

Стекті бөлу

Көптеген Unix сияқты жүйелер мен Microsoft Windows стек жадын динамикалық түрде бөлуге арналған функцияны іске асырады. Бұл функция қалыпты жадтан (heap) бөлуге ұқсас жұмыс істейді. Компилятор әдетте оны стек көрсеткішін өңдейтін кіріктірілген нұсқауларға аударады. Осылай бөлінген жадты қолмен босатудың қажеті жоқ, себебі шақырған функция қайтқанда ол автоматты түрде босатылады, бірақ стек асу қаупі бар. Ал alloca көптеген жүйелерде кездесетін, бірақ POSIX немесе C стандартында жоқ, арнайы кеңейтім болғандықтан, стек асып кеткен жағдайда оның әрекеті белгісіз. Microsoft Windows жүйесінде alloca-ның қате туралы хабарлайтын , деп аталатын қауіпсіз нұсқасы бар. Ол gnulib кітапханасын пайдалануды талап етеді, ол эквивалентті интерфейсті ұсынады, бірақ стек асуды анықтағанда SEH қатесін тудырудың орнына, malloc функциясын шақырады. Осыған ұқсас мүмкіндік қолмен жадты есептеу және өлшемді тексеру арқылы да іске асырылуы мүмкін, мысалы, glibc кітапханасында қолданылатындай.

Жадты автоматты түрде басқару

Қолданбадағы жадты тиімді басқару қиын мәселе, сондықтан жадты басқару үшін әртүрлі стратегиялар жасалған.

Шақыру стегі айнымалыларын автоматты басқару

Көптеген бағдарламалау тілдерінің іске асырылуында бағдарламаның орындалу ортасы, ішкі бағдарлама шақырылғанда, статикалық емес жергілікті айнымалылары үшін (автоматты айнымалылар деп аталады) қоңырау стегінде автоматты түрде жад бөледі және ішкі бағдарламадан шыққанда сол жадты автоматты түрде босатады. Арнайы жариялаулар жергілікті айнымалыларға процедура шақырылғанда мәндерін сақтауға немесе басқа ішкі бағдарламаларға жергілікті айнымалыларға қол жеткізуге мүмкіндік беруі мүмкін. Жергілікті айнымалыларды автоматты түрде бөлу рекурсияны қол жетімді жад көлемімен шектелген тереңдікке дейін мүмкін етеді.

Қоқыс жинау

Қоқыс жинау – бағдарламада енді қолданылмайтын объектілерге бөлінген жадты автоматты түрде анықтап, сол бөлінген жадты бос жад қорына қайтару стратегиясы. Бұл әдіс, бағдарламашының жад сұрауларын және жадты босатуды бағдарламада тікелей кодтауы қажет болатын "қолмен" жад басқарудан өзгеше. Автоматты қоқыс жинау бағдарламашының жұмысын жеңілдету және жад бөлу қателіктерінің кейбіреулерін болдырмау сияқты артықшылықтарға ие болғанымен, қоқыс жинау өзіне де жад ресурстарын қажет етеді және қолданба бағдарламасымен процессор уақыты үшін бәсекелесе алады.

Анықтамалық санау

Анықтамаларды санау – бағдарламаның жадты енді пайдалана алмайтынын анықтау стратегиясы. Бұл үшін, қанша тәуелсіз көрсеткіш жадқа сілтеме жасап тұрғанын есептегіш арқылы бақылау жүргізіледі. Жаңа көрсеткіш жад бөлігіне бағытталғанда, бағдарламашы осы есептегіштің мәнін арттыруы керек. Көрсеткіш бағытын өзгерткенде, енді ештеңеге сілтеме жасамаса немесе өзі босатылса, есептегіштің мәні азайтылуы тиіс. Есептегіш нөлге жеткенде, жад пайдаланылмаған деп есептеліп, босатылуы керек. Кейбір анықтама санау жүйелері бағдарламашының араласуын қажет етеді, ал кейбіреулері компилятормен автоматты түрде жүзеге асырылады. Анықтама санаудың бір кемшілігі – жад ақауларына себеп болатын дөңгелек сілтемелердің пайда болу мүмкіндігі. Бұл мәселені «әлсіз сілтеме» (анықтама санауға қатыспайтын, бірақ көрсеткіші жойылғанда хабарлама жіберетін сілтеме) енгізу арқылы немесе анықтама санау мен қоқыс жинауды біріктіру арқылы шешуге болады.

Жады жинақтары

Жад қоры – қолданбаның күйіне, мысалы, сұрау немесе транзакцияның өмірлік цикліне байланысты жадты автоматты түрде босату әдісі. Көптеген қолданбалар жадты бөлуді тудыратын үлкен код блоктарын орындайды, бірақ орындалу барысында осы блоктардың бәрі енді қолданылмайтыны белгілі болады. Мысалы, веб-сервисте әрбір сұраудан кейін, сұрау орындалған кезде бөлінген жадтың ешқайсысы қажет болмайды. Сондықтан, жадқа сілтеме жасалып жатыр ма, жоқ па, оны қадағалаудың орнына, жад онымен байланысты сұрау немесе өмірлік цикл кезеңіне сәйкес бөлінеді. Осы сұрау немесе кезең аяқталғаннан кейін, барлық байланысты жад бірден босатылады.

Виртуалды жады бар жүйелер

Виртуалды жад – жад ұйымдалуын физикалық аппараттық құралдардан тәуелсіз ету әдісі. Бағдарламалар виртуалды мекенжайлар арқылы жадпен жұмыс істейді. Бағдарламаның нақты бір виртуалды жад мекенжайына қол жеткізу әрекеті виртуалды жад мекенжайын нақты физикалық мекенжайға түрлендіреді. Осылайша, виртуалды жадты қосу жад жүйелерін және қол жеткізу әдістерін дәл бақылауға мүмкіндік береді. Виртуалды жад жүйелерінде операциялық жүйе процестің жадқа қалай қол жеткізе алатынын шектейді. Бұл мүмкіндік, яғни жадты қорғау, процеске оған бөлінбеген жадты оқуға немесе жазуға рұқсат бермеу арқылы, бір бағдарламадағы қасақана немесе қате жұмыс істейтін кодтың басқа бағдарламаның жұмысына кедергі келтіруіне жол бермейді. Белгілі бір процестерге бөлінген жад әдетте оқшауланған болғанымен, процестер кейде ақпарат алмасуға мұқтаж болады. Ортақ жад – процестер аралық байланыстың ең жылдам әдістерінің бірі. Жады қол жеткізу жылдамдығы бойынша негізгі және қосымша жад деп жіктеледі. Жад басқару жүйелері, басқа операциялармен қатар, осы екі жад деңгейі арасындағы ақпаратты жылжытуды да басқарады.

OS/360 және оның кейінгі нұсқаларындағы жадты басқару

IBM System/360 виртуалды жадты қолдамайды. Модель 67-ден басқа, тапсырмаларды жадтан оқшаулау опциялы түрде қорғау кілттерін пайдалану арқылы жүзеге асырылады, әр тапсырмаға әртүрлі кілт тағайындалады – қадағалаушыға 0, ал тапсырмаларға 1–15. OS/360 жүйесінде жадты басқару – қадағалаушының функциясы. Жады GETMAIN макросы арқылы сұралады және FREEMAIN макросы арқылы босатылады, бұл операцияны орындау үшін қадағалаушыға (SVC) шақыруға әкеледі. OS/360 жүйесінде ерекшеліктер, жүйенің қалай құрылғандығына байланысты өзгереді, мысалы, PCP, MFT, MVT үшін. OS/360 MVT жүйесінде жұмыс аймағындағы немесе ортақ жүйелік кезек аймағындағы (SQA) қосалқы бөлу 2 КБ көлеміндегі қосалқы топтарға негізделеді – қорғау кілтімен қорғалған аймақтың көлемі. Қосалқы топтар 0–255 нөмірленген. Аймақ ішіндегі қосалқы топтарға тапсырманың жадты қорғауы немесе қадағалаушының кілті, 0 кілті тағайындалады. 0–127 қосалқы топтар тапсырманың кілтін алады. Бастапқыда тек 0 қосалқы тобы құрылады, және барлық пайдаланушы жад сұраныстары 0 қосалқы тобынан қанағаттандырылады, егер жад сұранысында басқасы көрсетілмесе. 250–255 қосалқы топтары тапсырма атынан қадағалаушының жад сұраныстары арқылы құрылады. Олардың көпшілігіне 0 кілті тағайындалады, бірақ кейбіреулері тапсырманың кілтін алады. Қосалқы топтар нөмірлері MFT жүйесінде де маңызды, бірақ егжей-тегжейлі ақпарат әлдеқайда қарапайым. MFT динамикалық аймақтардың орнына оператор қайта анықтай алатын тұрақты бөлімдерді пайдаланады, ал PCP тек бір бөлімге ие. Әрбір қосалқы топ, қосалқы топтың ішінде бөлінген және бос жад блоктарын анықтайтын басқару блоктарының тізімімен сәйкестендіріледі. Жады жеткілікті көлемдегі бос аймақты табу арқылы немесе жұмыс аймағының көлеміне дейін қосымша блоктарды бөлу арқылы бөлінеді. Бөлінген жад аймағының барлығын немесе бір бөлігін босатуға болады. OS/VS1 үшін ерекшеліктер MFT және MVT үшін деректерге ұқсас; OS/VS2 үшін ерекшеліктер MVT үшін деректерге ұқсас, бірақ беттің көлемі 4 КиБ. OS/VS1 және OS/VS2 жүйелері үшін ортақ жүйелік кезек аймағы (SQA) бетке орналастырылмайды. MVS жүйесінде адрестік кеңістік қосымша бетке бөлінетін ортақ аймақты, Жалпы сақтау аймағын (CSA) және қосымша жеке аймақты, Жүйелік жұмыс аймағын (SWA) қамтиды. Сондай-ақ, 0–7 сақтау кілттерінің барлығы артықшылықты кодпен пайдалануға арналған.