Подкачка , или своппинг (swapping - обмен), - это процесс выгрузки редко используемых областей виртуального адресного пространства программы и/или всей программы на диск или другое устройство внешней памяти. Такая внешняя память всегда намного дешевле оперативной памяти, хотя и намного медленнее.

При разработке системы всегда есть желание сделать память как можно быстрее. С другой стороны, потребности в памяти очень велики и постоянно растут. Современные персональные системы имеют около 150 Гбайт дисковой памяти, и этого часто оказывается недостаточно, особенно если идет работа с мультимедиа или просто с высококачественными изображениями.

Очевидно, что система с 150 Гб статического ОЗУ будет иметь стоимость, скажем так, совершенно не персональную, не говоря уже о габаритах, потребляемой мощности и прочем. К счастью, далеко не все, что хранится в памяти системы, используется одновременно. В каждый заданный момент исполняется только часть программного обеспечения, и оно работает только с частью данных.

Статистика утверждает, что в пределах одной программы 90% времени исполняется код, который занимает 10% места, а остальные 90% кода исполняются только 10% времени. Для данных разница в частоте использования, по-видимому, не столь резкая, но также существует

Еще одним фактором использования памяти является наличие операций ввода-вывода в программе. На рисунке 2.16 показан график зависимости коэффициента загрузки процессора в зависимости от числа одновременно выполняемых процессов и доли времени, проводимого этими процессами в состоянии ожидания ввода-вывода.

Рис. 2.16. Зависимость загрузки процессора от числа задач и интенсивности ввода-вывода

Из рисунка видно, что для загрузки процессора на 90% достаточно всего трех счетных задач. Однако для того, чтобы обеспечить такую же загрузку интерактивными задачами, выполняющими интенсивный ввод-вывод, потребуются десятки таких задач. Необходимым условием для выполнения задачи является загрузка ее в оперативную память, объем которой ограничен. В этих условиях и используется свопинг. При свопинге некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс может перемещаться между памятью и диском целиком, то есть в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу.

Экспериментальные исследования показывают любопытный факт: реальная производительность системы довольно слабо зависит от применяемого алгоритма поиска жертвы. Статистика исполнения реальных программ говорит о том, что каждая программа имеет некоторый набор страниц, называемый рабочим множеством , который ей в данный момент действительно нужен. Размер такого набора сильно зависит от алгоритма программы, он изменяется на различных этапах исполнения и т.д., но в большинство моментов мы можем довольно точно указать его. Если все страницы рабочего набора попадают в память, то частота ошибок отсутствия страницы резко снижается. В случае, когда памяти не хватает, программе почти на каждой команде требуется новая страница, и производительность системы катастрофически - в тысячи раз - падает. В случае машин типа IBM PC x86 с дисковым контроллером IDE , в которых процессор задействуется при операциях с диском, это может привести, практически, к блокировке системы. Это состояние по-английски называется overswap или thrashing - чрезмерный своппинг и является крайне нежелательным.

В системах коллективного пользования размер памяти часто выбирают так, чтобы система балансировала где-то между состоянием, когда все программы держат свое рабочее множество в ОЗУ, и оверсвопом. Точное положение точки балансировки определяется в зависимости от соотношения скорости процессора со скоростью обмена с диском и с потребностями прикладных программ. Во многих старых учебниках рекомендуется подбирать объем памяти так, чтобы канал дискового обмена был загружен на 50%

Еще одно, немного устаревшее, эмпирическое правило приводится в документации фирмы Amdahl: сбалансированная система должна иметь по мегабайту памяти на каждый MIPS (Million of Instructions Per Second - миллион операций в секунду) производительности центрального процессора. Если система не использует память, определенную по этой формуле, есть основания считать, что процессор также работает с недогрузкой. Иными словами, это означает, что вы купили слишком мощный для ваших целей процессор и заплатили лишние деньги.

Это правило было выработано на основе опыта эксплуатации больших компьютеров, в основном на задачах управления базами данных. Скорость дисковой подсистемы в этих машинах была примерно сравнима с дисковыми контроллерами современных персоналок, поэтому аналогичный критерий оценки применим и к ПК, особенно работающим под управлением систем с виртуальной памятью - OS/2 , Windows NT и системами семейства Unix .

Разновидностью виртуальной памяти является свопинг.

На рис. 4.19 показан график зависимости коэффициента загрузки процессора в зависимости от числа одновременно выполняемых процессов и доли времени, проводимого этими процессами в состоянии ожидания ввода-вывода.

Рис. 4.19. Зависимость загрузки процессора от числа задач и интенсивности ввода-вывода

Из рисунка видно, что для загрузки процессора на 90 % достаточно всего трех счетных задач. Однако для того, чтобы обеспечить такую же загрузку интерактивными задачами, выполняющими интенсивный ввод-вывод, потребуются десятки таких задач. Необходимым условием для выполнения задачи является загрузка её в оперативную память, объем которой ограничен. В этих условиях был предложен метод организации вычислительного процесса, называемый свопингом . В соответствии с этим методом некоторые процессы (обычно находящиеся в состоянии ожидания) временно выгружаются на диск. Планировщик операционной системы не исключает их из своего рассмотрения, и при наступлении условий активизации некоторого процесса, находящегося в области свопинга на диске, этот процесс перемещается в оперативную память. Если свободного места в оперативной памяти не хватает, то выгружается другой процесс.

При свопинге, в отличие от рассмотренных ранее методов реализации виртуальной памяти, процесс перемещается между памятью и диском целиком, т.е.в течение некоторого времени процесс может полностью отсутствовать в оперативной памяти. Существуют различные алгоритмы выбора процессов на загрузку и выгрузку, а также различные способы выделения оперативной и дисковой памяти загружаемому процессу.

4.4.4. Методы повышения пропускной способности оперативной памяти

Основными методами увеличения полосы пропускания памяти являются: увеличение разрядности или «ширины» памяти, использование расслоения памяти, использование независимых банков памяти, обеспечение режима бесконфликтного обращения к банкам памяти, использование специальных режимов работы динамических микросхем памяти.

Выборка широким словом

Прямой способ сокращения числа обращений к ОП состоит в организации выборки широким словом. Этот способ основывается на свойстве локальности данных и программ. При выборке широким словом за одно обращение к ОП производится одновременная запись или считывание нескольких команд или слов данных из «широкой» ячейки. Широкое слово заносится в буферную память (кэш-память) или регистр, где оно расформировывается на отдельные команды или слова данных, которые могут последовательно использоваться процессором без дополнительных обращений к ОП.

В системах с кэш-памятью первого уровня ширина шин данных ОП часто соответствует ширине шин данных кэш-памяти, которая во многих случаях имеет физическую ширину шин данных, соответствующую количеству разрядов в слове. Удвоение и учетверение ширины шин кэш-памяти и ОП удваивает или учетверяет соответственно полосу пропускания системы памяти.

Реализация выборки широким словом вызывает необходимость мультиплексирования данных между кэш-памятью и процессором, поскольку основной единицей обработки данных в процессоре все еще остается слово. Эти мультиплексоры оказываются на критическом пути поступления информации в процессор. Кэш-память второго уровня несколько смягчает эту проблему, т.к. в этом случае мультиплексоры могут располагаться между двумя уровнями кэш-памяти, т.е. вносимая ими задержка не столь критична. Другая проблема, связанная с увеличением разрядности памяти, заключается в необходимости определения минимального объема (инкремента) памяти для поэтапного её расширения, которое часто выполняется самими пользователями во время эксплуатации системы. Удвоение или учетверение ширины памяти приводит к удвоению или учетверению этого минимального инкремента. Кроме того, имеются проблемы и с организацией коррекции ошибок в системах с широкой памятью.

Примером организации широкой ОП является система Alpha AXP21064, в которой кэш второго уровня, шина памяти и сама ОП имеют разрядность 256 бит.

Свопинг процессов

Свопинг процессов -- вытеснение готового к исполнению процесса из оперативной памяти во внешнюю. При этом оперативная память, заполненная процессом, полностью освобождается.

Свопинг процессов может использоваться как средство реализации абсолютных приоритетов при отсутствии виртуальной памяти, либо инициироваться операцией на внешнем устройстве, требующей значительных временных затрат.

В любой момент времени данные структур рrос для всех процессов должны присутствовать в памяти, хотя остальные структуры данных, включая образ процесса, могут быть перемещены во вторичную память, -- область свопинга.

Это позволяет ядру иметь под рукой минимальную информацию, необходимую для определения местонахождения остальных данных, относящихся к процессу, даже если они отсутствуют в памяти.

Структура ргос является записью системной таблицы процессов, которая, как мы только что заметили, всегда находится в оперативной памяти. Запись этой таблицы для выполняющегося в настоящий момент времени процесса адресуется системной переменной curproc.

Каждый раз при переключении контекста, когда ресурсы процессора передаются другому процессу, соответственно изменяется значение переменной curproc, которая теперь указывает на структуру ргос активного процесса.

Имея дело с пакетными системами, можно обходиться фиксированными разделами и не использовать ничего более сложного. В системах с разделением времени возможна ситуация, когда память не в состоянии содержать все пользовательские процессы. Приходится прибегать к свопингу (swapping) - перемещению процессов из главной памяти на диск и обратно целиком.

Выгруженный процесс может быть возвращен в то же самое адресное пространство или в другое. Это ограничение диктуется методом связывания. Для схемы связывания на этапе выполнения можно загрузить процесс в другое место памяти.

Свопинг не имеет непосредственного отношения к управлению памятью, скорее он связан с подсистемой планирования процессов. Очевидно, что свопинг увеличивает время переключения контекста. Время выгрузки может быть сокращено за счет организации специально отведенного пространства на диске (раздел для свопинга). Обмен с диском при этом осуществляется блоками большего размера, то есть быстрее, чем через стандартную файловую систему.

Схема с переменными разделами

Организация памяти в виде фиксированных разделов проста и эффективна для работы с пакетными системами. Каждое задание после того, как доходит до начала очереди, загружается в раздел памяти и остается там до своего завершения. До тех пор пока в памяти может храниться достаточное количество задач для обеспечения постоянной занятости центрального процессора, нет причин что-либо усложнять.

Но совершенно другая ситуация сложилась с системами разделения времени или персональными компьютерами, ориентированными на работу с графикой. Оперативной памяти иногда оказывается недостаточно для того, чтобы вместить все текущие активные процессы, и тогда избыток процессов приходится хранить на диске, а для обработки динамически переносить их в память.

Существуют два основных подхода к управлению памятью, зависящие (отчасти) от доступного аппаратного обеспечения. Самая простая стратегия, называемая свопингом (swapping) или обычной подкачкой, заключается в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск.

В принципе, система свопинга может базироваться на фиксированных разделах. Более эффективной, однако, представляется схема динамического распределения или схема с переменными разделами, которая может использоваться и в тех случаях, когда все процессы целиком помещаются в памяти, то есть в отсутствие свопинга. В этом случае вначале вся память свободна и не разделена заранее на разделы. Вновь поступающей задаче выделяется строго необходимое количество памяти, не более. После выгрузки процесса память временно освобождается. По истечении некоторого времени память представляет собой переменное число разделов разного размера (рисунок 2.4). Смежные свободные участки могут быть объединены.

Рисунок 2.4 - Динамическое распределение. Свопинг

Основная разница между фиксированными разделами и непостоянными разделами заключается в том, что во втором случае количество, размещение и размер разделов изменяются динамически по мере поступления и завершения процессов, тогда как в первом варианте они фиксированы. Гибкость схемы, в которой нет ограничений, связанных с определенным количеством разделов, и каждый из разделов может быть очень большим или совсем маленьким, улучшает использование памяти, но, кроме того, усложняет операции размещения процессов и освобождения памяти, а также отслеживание происходящих изменений.

Когда в результате подкачки процессов с диска в памяти появляется множество неиспользованных фрагментов, их можно объединить в один большой участок, передвинув все процессы в сторону младших адресов настолько, насколько это возможно. Такая операция называется уплотнением или сжатием памяти. Обычно ее не выполняют, потому что на нее уходит много времени работы процессора. Например, на машине с 256 Мбайт оперативной памяти, которая может копировать 4 байта за 40 нс, уплотнение всей памяти займет около 2,7 с.

Еще один момент, на который стоит обратить внимание: сколько памяти должно быть предоставлено процессу, когда он создается или скачивается с диска? Если процесс имеет фиксированный никогда не изменяющийся размер, размещение происходит просто: операционная система предоставляет точно необходимое количество памяти, ни больше, ни меньше, чем нужно.

Однако если область данных процесса может расти, например, в результате динамического распределения памяти из кучи, как происходит во многих языках программирования, проблема предоставления памяти возникает каждый раз, когда процесс пытается увеличиться. Когда участок неиспользованной памяти расположен рядом с процессом, его можно отдать в пользу процесса, таким образом, позволив процессу вырасти на размер этого участка. Если же процесс соседствует с другим процессом, для его увеличения нужно или переместить достаточно большой свободный участок памяти, или перекачать на диск один или больше процессов, чтобы создать незанятый фрагмент достаточного размера. Если процесс не может расти в памяти, а область на диске, предоставленная для подкачки, переполнена, процесс будет вынужден ждать освобождения памяти или же будет уничтожен.

Если предположить, что большинство процессов будут увеличиваться во время работы, вероятно, сразу стоит предоставлять им немного больше памяти, чем требуется, а всякий раз, когда процесс скачивается на диск или перемещается в памяти, обрабатывать служебные данные, связанные с перемещением или подкачкой процессов, больше не умещающихся в предоставленной им памяти. Но когда процесс выгружается на диск, должна скачиваться только действительно используемая часть памяти, так как очень расточительно также перемещать и дополнительную память. На рисунке 2.5 а можно увидеть конфигурацию памяти с предоставлением пространства для роста двух процессов.

Если процесс может иметь два увеличивающихся сегмента, например сегмент данных, используемый как куча для динамически назначаемых и освобождаемых переменных, и сегмент стека для обычных локальных переменных и возвращаемых адресов, предлагается альтернативная схема распределения памяти (рисунок 2.5 б). Здесь мы видим, что у каждого процесса вверху предоставленной ему области памяти находится стек, который расширяется вниз, и сегмент данных, расположенный отдельно от текста программы, который увеличивается вверх. Область памяти между ними разрешено использовать для любого сегмента. Если ее становится недостаточно, то процесс нужно или перенести на другое, большее свободное место, или выгрузить на диск до появления свободного пространства необходимого размера, или уничтожить.

Рисунок 2.5 - Предоставление пространства для роста области данных (а); предоставление пространства для роста стека и области данных (б)

Одним из способов выделения места для swap-файла (раздела) является кратное выделение памяти, когда объём этого файла равен объёму оперативной памяти, умноженному на константу от 0,5 до 2 или 3.

Если на компьютере имеется более одного жёсткого диска, то для более быстрого обращения к файлу подкачки его желательно разместить на наименее нагруженном запросами чтения/записи физическом диске. Хорошим выбором будет физический файл подкачки на диске, который имеет наибольшую скорость чтения/записи.

С повсеместным распространением компьютеров в русский язык проникло много иностранных словечек, о которых обычный человек знать ничего не знает. Их ранее употребляли только специалисты в той или иной сфере. А массовое использование слов такого плана началось относительно недавно. Одно из них - "свопинг". Это одно из немногочисленных слов, которое может означать кардинально разные операции. Причем принадлежит оно сразу двум сферам деятельности. Поэтому многие люди путают его значение. Стоит сразу отметить, что это слово нужно определять по контексту. Только тогда будет понятно, к какой именно сфере оно относится в данный момент. А теперь рассмотрим основные понятия, связанные с этим словом.

Вам будет интересно:

Что такое свопинг?

Данное слово произошло от английского swapping. Перевод (дословный) выглядит как "обменивать". Это слово в английском языке присутствует уже давно. И там оно является обычным глаголом. И только в русском языке у него совсем другой смысл. Есть несколько вариантов толкования данного слова, и все они относятся к различным сферам деятельности:

• Свопинг в мире акций. Таким термином брокеры на биржах обозначали быстрый обмен акциями. В настоящее время свопинг тоже присутствует на крупных биржах. На "Форексе" тоже есть такое понятие, но там оно обозначает быструю продажу всех акций.
• Свопинг в компьютерном мире. В мире ПК и ноутбуков этим термином обзывают процесс освобождения части оперативной памяти и перенесение данных в заранее созданный файл подкачки на жестком диске. Весьма полезная опция для тех, у кого мало оперативной памяти.

Необходимым условием для того, чтобы программа могла выполняться, является ее нахождение в оперативной памяти. Только в этом случае процессор может извлекать команды из памяти и интерпретировать их, выполняя заданные действия. Объем оперативной памяти, который имеется в компьютере, существенно сказывается на характере протекания вычислительного процесса. Он ограничивает число одновременно выполняющихся программ и размеры их виртуальных адресных пространств. В некоторых случаях, когда все задачи мультипрограммной смеси являются вычислительными (то есть выполняют относительно мало операций ввода-вывода, разгружающих центральный процессор), для хорошей загрузки процессора может оказаться достаточным всего 3-5 задач. Однако если вычислительная система загружена выполнением интерактивных задач, то для эффективного использования процессора может потребоваться уже несколько десятков, а то и сотен задач. Эти рассуждения хорошо иллюстрирует рисунок 25, на котором показан график зависимости коэффициента загрузки процессора от числа одновременно выполняемых процессов и доли времени, проводимого этими процессами в состоянии ожидания ввода-вывода.

Рис. 25. Зависимость загрузки процессора от числа задач и интенсивности ввода-вывода

Большое количество задач, необходимое для высокой загрузки процессора, требует большого объема оперативной памяти. В условиях, когда для обеспечения приемлемого уровня мультипрограммирования имеющейся оперативной памяти недостаточно, был предложен метод организации вычислительного процесса, при котором образы некоторых процессов целиком или частично временно выгружаются на диск.

В мультипрограммном режиме помимо активного процесса, то есть процесса, коды которого в настоящий момент интерпретируются процессором, имеются приостановленные процессы, находящиеся в ожидании завершения ввода-вывода или освобождения ресурсов, а также процессы в состоянии готовности, стоящие в очереди к процессору. Образы таких неактивных процессов могут быть временно, до следующего цикла активности, выгружены на диск. Несмотря на то что коды и данные процесса отсутствуют в оперативной памяти, ОС «знает» о его существовании и в полной мере учитывает это при распределении процессорного времени и других системных ресурсов. К моменту, когда подходит очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память. Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает, то на диск выгружается другой процесс.

Такая подмена (виртуализация) оперативной памяти дисковой памятью позволяет повысить уровень мультипрограммирования - объем оперативной памяти компьютера теперь не столь жестко ограничивает количество одновременно выполняемых процессов, поскольку суммарный объем памяти, занимаемой образами этих процессов, может существенно превосходить имеющийся объем оперативной памяти. Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. В данном случае в распоряжение прикладного программиста предоставляется виртуальная оперативная память, размер которой намного превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программу, а транслятор, используя виртуальные адреса, переводит ее в машинные коды так, как будто в распоряжении программы имеется однородная оперативная память большого объема. В действительности же все коды и данные, используемые программой, хранятся на дисках и только при необходимости загружаются в реальную оперативную память. Понятно, однако, что работа такой «оперативной памяти» происходит значительно медленнее.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совокупностью программных модулей ОС и аппаратных схем процессора и включает решение следующих задач:

Размещение данных в запоминающих устройствах разного типа, например часть кодов программы - в оперативной памяти, а часть - на диске;

Выбор образов процессов или их частей для перемещения из оперативной памяти на диск и обратно;

Перемещение по мере необходимости данных между памятью и диском; Q преобразование виртуальных адресов в физические.

Очень важно то, что все действия по организации совместного использования диска и оперативной памяти (выделение места для перемещаемых фрагментов, настройка адресов, выбор кандидатов на загрузку и выгрузку) осуществляются операционной системой и аппаратурой процессора автоматически, без участия программиста, и никак не сказываются на логике работы приложений.

Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных подходов:

Свопинг (swapping) - образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

Виртуальная память (virtual memory) - между оперативной памятью и диском перемещаются части (сегменты, страницы и т. п.) образов процессов.

Свопинг представляет собой частный случай виртуальной памяти и, следовательно, более простой в реализации способ совместного использования оперативной памяти и диска. Однако подкачке свойственна избыточность: когда ОС решает активизировать процесс, для его выполнения, как правило, не требуется загружать в оперативную память все его сегменты полностью - достаточно загрузить небольшую часть кодового сегмента с подлежащей выполнению инструкцией и частью сегментов Данных, с которыми работает эта инструкция, а также отвести место под сегмент стека. Аналогично при освобождении памяти для загрузки нового процесса очень часто вовсе не требуется выгружать другой процесс на диск целиком, достаточно вытеснить на диск только часть его образа. Перемещение избыточной информации замедляет работу системы, а также приводит к неэффективному использованию памяти. Кроме того, системы, поддерживающие свопинг, имеют еще один очень существенный недостаток: они не способны загрузить для выполнения процесс, виртуальное адресное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память.

Именно из-за указанных недостатков свопинг как основной механизм управления памятью почти не используется в современных ОС. На смену ему пришел более совершенный механизм виртуальной памяти , который, как уже было сказано, заключается в том, что при нехватке места в оперативной памяти на диск выгружаются только части образов процессов.

Ключевой проблемой виртуальной памяти, возникающей в результате многократного изменения местоположения в оперативной памяти образов процессов или их частей, является преобразование виртуальных адресов в физические. Решение этой проблемы, в свою очередь, зависит от того, какой способ структуризации виртуального адресного пространства принят в данной системе управления памятью. В настоящее время все множество реализаций виртуальной памяти может быть представлено тремя классами.

Сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сегментами - частями виртуального адресного пространства произвольного размера, полученными с учетом смыслового значения данных,

Страничная виртуальная память организует перемещение данных между памятью и диском страницами - частями виртуального адресного пространства, фиксированного и сравнительно небольшого размера.

Сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения данных здесь является страница. Этот способ управления памятью объединяет в себе элементы обоих предыдущих подходов.

Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится либо специальная область, либо специальный файл, которые во многих ОС по традиции продолжают называть областью, или файлом свопинга, хотя перемещение информации между оперативной памятью и диском осуществляется уже не в форме полного замещения одного процесса другим, а частями. Другое популярное название этой области - страничный файл (page file, или paging file). Текущий размер страничного файла является важным параметром, оказывающим влияние на возможности операционной системы: чем больше страничный файл, тем больше приложений может одновременно выполнять ОС (при фиксированном размере оперативной памяти). Однако необходимо понимать, что увеличение числа одновременно работающих приложений за счет увеличения размера страничного файла замедляет их работу, так как значительная часть времени при этом тратится на перекачку кодов и данных из оперативной памяти на диск и обратно. Размер страничного файла в современных ОС является настраиваемым параметром, который выбирается администратором системы для достижения компромисса между уровнем мультипрограммирования и быстродействием системы.