Giáo trình Hệ điều hành (Operating system): Phần 2

CHƯƠNG 4 QUẢN LÝ BỘ NHỚ Chương “QUẢN LÝ BỘ NHỚ" sẽ giới thiệu và giải thích các vấn đề sau: 4.1 Các vấn đề phát sinh khi quản lý bộ nhớ. 4.2 Các mô hình cấp phát bộ nhớ. 4.3 Bộ nhớ ảo 4.1 CÁC VẤN ĐỀ PHÁT SINH KHI QUẢN LÝ BỘ NHỚ + Chuyển đổi địa chỉ tương đối trong chương trình thành địa chỉ thực trong bộ nhớ chính. + Quản lý bộ nhớ đã cấp phát và chưa cấp phát. + Các kỹ thuật cấp phát bộ nhớ sao cho: - Ngăn chặn các tiến trình xâm phạm đến vùng nhớ đã được cấp phát cho tiến trình khác. - Cho phép nhiều tiến trình có thể dùng chung một phần bộ nhớ của nhau. - Mở rộng bộ nhớ để có thể lưu trữ được nhiều tiến trình đồng thời. 4.1.1 Chuyển đổi địa chỉ tương đối sang tuyệt đối Các địa chỉ trong chương trình thực thi (dạng exe) là địa chỉ tương đối, và cần được chuyển đổi các địa chỉ này thành các địa chỉ tuyệt đối trong bộ nhớ chính. Việc chuyển đổi có thể xảy ra vào một trong những thời điểm sau: + Thời điểm biên dịch (compile time): Nếu tại thời điểm biên dịch, có thể biết vị trí mà tiến trình sẽ được nạp vào trong bộ nhớ, trình biên dịch có thể phát sinh ngay mã với các địa chỉ tuyệt đối. Tuy nhiên, nếu về sau có sự thay đổi vị trí của chương trình, cần phải biên dịch lại chương trình. Ví dụ các chương trình .com chạy trên hệ điều hành MS-DOS có mã tuyệt đối ngay khi biên dịch. + Thời điểm nạp (load time): Nếu tại thời điểm biên dịch, chưa thể biết vị trí mà tiến trình sẽ được nạp vào trong bộ nhớ, trình biên dịch chỉ phát sinh mã tương đối. Khi nạp chương trình vào bộ nhớ, hệ điều hành sẽ chuyển các địa chỉ tương đối thành địa chỉ tuyệt đối do đã biết vị trí bắt đầu lưu trữ tiến trình. Khi có sự thay đổi vị trí lưu trữ, cần nạp lại chương trình để thực hiện lại việc chuyển đổi địa chỉ, không cần biên dịch lại chương trình. + Thời điểm xử lý (execution time): Nếu có nhu cầu di chuyển tiến trình từ vùng nhớ này sang vùng nhớ khác trong quá trình tiến trình xử lý, thì việc chuyển đổi địa chỉ sẽ được thực hiện vào lúc tiến trình thực thi. Chức năng chuyển đổi địa chỉ do phần cứng cung cấp gọi là MMU (memory management unit). Các hệ điều hành thường dùng việc chuyển đổi theo cách này. 101 4.1.2 Không gian địa chỉ ảo và không gian địa chỉ vật lý + Địa chỉ ảo (địa chỉ logic): là địa chỉ do bộ xử lý (CPU) tạo ra. + Địa chỉ vật lý (địa chỉ physic): là địa chỉ thực trong bộ nhớ chính, địa chỉ vật lý còn gọi là địa chỉ tuyệt đối/địa chỉ thực. + Không gian địa chỉ ảo của tiến trình: là tập hợp tất cả các địa chỉ ảo của một tiến trình. + Không gian điạ chỉ vật lý của tiến trình: là tập hợp tất cả các địa chỉ vật lý tương ứng với các địa chỉ ảo. Khi chương trình nạp vào bộ nhớ các địa chỉ tương đối trong chương trình được CPU chuyển thành địa chỉ ảo, khi thực thi, địa chỉ ảo được hệ điều hành kết hợp với phần cứng MMU chuyển thành địa chỉ vật lý .Tóm lại chỉ có khái niệm địa chỉ ảo nếu việc chuyển đổi địa chỉ xảy ra vào thời điểm xử lý, khi đó tiến trình chỉ thao tác trên các địa chỉ ảo, địa chỉ vật lý chỉ được xác định khi thực hiện truy xuất bộ nhớ vật lý. Hình 4.1: CPU gởi địa chỉ ảo tới MMU, MMU chuyển địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý 4.1.3 Quản lý bộ nhớ đã cấp phát và chưa cấp phát Hệ điều hành cần lưu trữ thông tin về phần bộ nhớ đã cấp phát và phần bộ nhớ chưa cấp phát. Nếu đã cấp phát thì cấp cho tiến trình nào. Khi cần cấp phát bộ nhớ cho một tiến trình thì làm sao tìm được phần bộ nhớ trống thích hợp nhanh chóng và khi bộ nhớ bị phân mảnh thì cần dồn bộ nhớ lại để tận dụng bộ nhớ và để tiến trình thực thi nhanh hơn. 4.1.3.1 Các phương pháp quản lý việc cấp phát bộ nhớ: a/ Sử dụng dãy bit : bít thứ i bằng 1 là khối thứ i đã cấp phát, bằng 0 là chưa cấp phát. b/ Sử dụng danh sách liên kết: mỗi nút của danh sách liên kết lưu thông tin một vùng nhớ chứa tiến trình (P) hay vùng nhớ trống giữa hai tiến trình (H). 102 Hình 4.2: quản lý việc cấp phát bộ nhớ bằng dãy bit hoặc danh sách liên kết Trước khi tiến trình X kết thúc, có 4 trường hợp có thể xảy ra và khi tiến trình X kết thúc, hệ điều hành cần gom những nút trống gần nhau. Hình 4.3: các trường hợp có thể xảy ra trước khi tiến trình X kết thúc 4.1.3.2 Các thuật toán chọn một đoạn trống: + First-fit: chọn đoạn trống đầu tiên đủ lớn. + Best-fit: chọn đoạn trống nhỏ nhất nhưng đủ lớn để thỏa mãn nhu cầu. + Worst-fit : chọn đoạn trống lớn nhất. 4.2 CÁC MÔ HÌNH CẤP PHÁT BỘ NHỚ Có hai mô hình dùng để cấp phát bộ nhớ cho một tiến trình là: + Cấp phát liên tục: tiến trình được nạp vào một vùng nhớ liên tục. + Cấp phát không liên tục: tiến trình được nạp vào một vùng nhớ không liên tục 4.2.1 Mô hình cấp phát liên tục Có hai mô hình cấp phát bộ nhớ liên tục là mô hình Linker-Loader hoặc mô hình Base & Limit. 4.2.1.1 Mô hình Linker_Loader: Chương trình được nạp vào một vùng nhớ liên tục đủ lớn để chứa toàn bộ chương trình. Hệ điều hành sẽ chuyển các địa chỉ tương đối về địa chỉ tuyệt đối (địa chỉ vật lý ) ngay khi nạp chương trình, theo công thức: địa chỉ tuyệt đối = địa chỉ bắt đầu nạp tiến trình + địa chỉ tương đối. 103 Ví dụ: xét chương trình P.EXE có lệnh Jump 0X200, . Giả sử chương trình được nạp tại địa chỉ 0X300, khi đó địa chỉ tương đối 0X200 sẽ được chuyển thành địa chỉ vật lý là 0X300+0X200=0X500 P.EXE 0X3000 JUMP JUMP 0X2000 0X5000 0X0000 0X6000 (bound) 0X3000 (base) HĐH Bộ nhớ vật lý Hình 4.4: Một ví dụ về chuyển đổi địa chỉ tương đối thành địa chỉ vật lý trong mô hình linker-loader Chương trình khi nạp vào bộ nhớ cho thực thi thì gọi là tiến trình, vậy trường hợp này các địa chỉ trong tiến trình là địa chỉ tuyệt đối, còn địa chỉ trong chương trình là địa chỉ tương đối. Nhận xét: + Vì việc chuyển đổi địa chỉ chỉ thực hiện vào lúc nạp nên sau khi nạp không thể di chuyển tiến trình trong bộ nhớ + Do không có cơ chế kiểm soát địa chỉ mà tiến trình truy cập, nên không thể bảo vệ một tiến trình bị một tiến trình khác truy xuất bộ nhớ của tiến trình một cách trái phép. 4.2.1.2 Mô hình Base & Limit Giống như mô hình Linker-Loader nhưng phần cứng cần cung cấp hai thanh ghi, một thanh ghi nền (base register) và một thanh ghi giới hạn (limit register). Khi một tiến trình được cấp phát vùng nhớ, hệ điều hành cất vào thanh ghi nền địa chỉ bắt đầu của vùng nhớ cấp phát cho tiến trình, và cất vào thanh ghi giới hạn kích thước của tiến trình. Hình 4.5: một ví dụ về mô hình base&limit Khi tiến trình thực thi, mỗi địa chỉ ảo (địa chỉ ảo cũng chính là địa chỉ tương đối) sẽ được MMU so sánh với thanh ghi giới hạn để bảo đảm tiến trình không truy xuất ngoài phạm vi vùng nhớ 104 được cấp cho nó. Sau đó địa chỉ ảo được cộng với giá trị trong thanh ghi nền để cho ra địa chỉ tuyệt đối trong bộ nhớ. Hình 4.6: cơ chế MMU trong mô hình base&limit Nhận xét: + Có thể di chuyển các chương trình trong bộ nhớ vì do tiến trình được nạp ở dạng địa chỉ ảo, khi tiến trình được di chuyển đến một vị trí mới, hệ điều hành chỉ cần nạp lại giá trị cho thanh ghi nền, và việc chuyển đổi địa chỉ được MMU thực hiện vào thời điểm xử lý. + Có thể có hiện tượng phân mảnh ngoại vi (external fragmentation ): tổng vùng nhớ trống đủ để thoả mãn yêu cầu, nhưng các vùng nhớ này lại không liên tục nên không đủ để cấp cho một tiến trình khác. Có thể áp dụng kỹ thuật “dồn bộ nhớ “ (memory compaction ) để kết hợp các mảnh bộ nhớ nhỏ rời rạc thành một vùng nhớ lớn liên tục, tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi nhiều thời gian xử lý. Ví dụ về sự phân mảnh ngoại vi của bộ nhớ, các tiến trình liên tục vào ra bộ nhớ, sau một thời gian sẽ để lại các vùng nhớ nhỏ mà không thể chứa bất kỳ tiến trình nào. D D D D D C C E E E B B B B B B B A A A A A A F OS OS OS OS OS OS OS OS Hình 4.7: một ví dụ về sự phân mảnh ngoại vi trong mô hình cấp phát liên tục * Vấn đề nảy sinh khi kích thước của tiến trình tăng trưởng trong qúa trình xử lý mà không còn vùng nhớ trống gần kề để mở rộng vùng nhớ cho tiến trình. Có hai cách giải quyết: + Dời chỗ tiến trình: di chuyển tiến trình đến một vùng nhớ khác đủ lớn để thỏa mãn nhu cầu tăng trưởng của tiến trình. + Cấp phát dư vùng nhớ cho tiến trình : cấp phát dự phòng cho tiến trình một vùng nhớ lớn hơn yêu cầu ban đầu của tiến trình. 105 ... - tailieumienphi.vn