مدیریت حافظه ۳

مدیریت حافظه ۳

اسلاید 1: فصل هفتم:مدیریت حافظه1

اسلاید 2: مباحث این فصل:نیازهای مدیریت حافظهجابجایی، حفاظت، اشتراک، سازمان منطقی، سازمان فیزیکیبخش بندی حافظهبخش بندی ایستابخش بندی پویاسیستم رقابتیجابجاییصفحه بندیقطعه بندیسؤالات دوره ای2

اسلاید 3: مدیریت حافظه:در یک سیستم تک برنامه ای حافظه به دو بخش تقسیم می شود:یک بخش برای سیستم عامل (ناظر، مقیم، هسته)یک بخش برای برنامه در حال اجرای کاربردر یک سیستم چند برنامه ای بخش کاربر باید تقسیم بندی شود تا چندین برنامه را همزمان در خود جای دهد.وظیفه تقسیم بندی حافظه به زیر بخشها، به صورت پویا و ایستا توسط سیستم عامل صورت می گیرد و به این عمل مدیریت حافظه میگویند.تخصیص حافظه باید به گونه ای باشد، که فرایندهای آماده بیشتری در آن مجتمع شوند.3

اسلاید 4: نیازمندی های مدیریت حافظه:جابجاییبرنامه نویس نمی داند برنامه هنگام اجرا در کجای حافظه ذخیره می شود.هنگام اجرای برنامه ممکن است برنامه به دیسک منتقل شود و دوباره در مکان دیگری از حافظه قرار گیرد.ارجاعهای به حافظه باید به آدرسهای فیزیکی که منعکس کننده مکان فعلی برنامه در حافظه اند، ترجمه شوند.4

اسلاید 5: نمایی از نیازهای آدرس دهی فرایند:5

اسلاید 6: نیازمندی های مدیریت حافظه:حفاظتفرایندها نباید بدون اجازه قادر به مراجعه به اطلاعات سایر فرایندها باشند.به دلایل زیر بررسی آدرسهای فیزیکی در زمان ترجمه غیر ممکن است:مکان برنامه در حافظه اصلی در زمان ترجمه مشخص نیست.یک فرایند کاربر نمی تواند به هیچ بخش سیستم عامل اعم از برنامه یا داده دسترسی داشته باشد.نیازهای حفاظتی باید توسط پردازنده (سخت افزار) برآورده شود نه توسط سیستم عامل (نرم افزار).6

اسلاید 7: نیازمندی های مدیریت حافظه:اشتراک:اشتراک امکان دسترسی چندین فرایند به یک بخش یکسان از حافظه را می دهد.اگر چند فرایند در حال اجرای یک برنامه هستند، به جای اینکه هر فرایند کپی جداگانه ای از برنامه داشته باشد بهتر است همه فرایندها به یک کپی از برنامه دسترسی داشته باشند.7

اسلاید 8: نیازمندی های مدیریت حافظه:سازمان منطقی:اکثر برنامه ها به صورت مؤلفه ای سازمان یافته اند.مزایای کار کردن با مؤلفه ها:هر مؤلفه را می توان به طور مستقل نوشت و ترجمه کرد.با یک سربار مختصر مراتب مختلف حفاظتی (فقط خواندنی، فقط اجرایی) میتواند به مؤلفه های مختلف نسبت داده شود.اشتراک مؤلفه ها بین فرایندها8

اسلاید 9: نیازمندی های مدیریت حافظه:سازمان فیزیکی:ممکن است حافظه موجود، برای یک برنامه و داده های آن کافی نباشد. در این صورت از روی هم گذاری استفاده میشود.روی هم گذاری اجازه میدهد یک ناحیه از حافظه به چندین مؤلفه تخصیص یابد.در یک محیط چندبرنامگی، برنامه ساز در زمان نوشتن برنامه نمی داند چه مقدار از فضا در دسترس است و آن فضا کجاست.9

اسلاید 10: بخش بندی ایستا:در اغلب طرحهای مدیریت حافظه، سیستم عامل، بخش ثابتی از حافظه را اشغال می کند و بقیه برای استفاده فرایندها است.در این روش بخش مربوط به فرایند ها به چندین بخش با طول ثابت تقسیم می شود.هر فرایندی که اندازه آن کمتر یا مساوی اندازه بخش باشد، می تواند داخل هر بخش موجود بار شود.اگر همه بخش ها پر باشد، و هیچ فرایند مقیمی در حال آماده یا اجرا نباشد، سیستم عامل میتواند فرایند را به خارج مبادله کند.10

اسلاید 11: بخش بندی ایستا:معایب بخش بندی طول ثابت:ممکن است یک برنامه در یک بخش جا نشود، در این صورت برنامه نویس باید از روی هم گذاری استفاده کند.استفاده ناکارمد از حافظه اصلی: هر برنامه صرف نظر از کوچکی آن یک بخش کامل را اشغال می کند به این پدیده پراکندگی داخلی میگویند.11

اسلاید 12: مثالی برای درک تکه تکه شدن داخلی:128M P3 : 8M8MP2 : 1M8MP1 : 5Mسیستم عامل8Mپراکندگی داخلیپراکندگی داخلی7 /3M

اسلاید 13: بخش بندی ایستا:بخش بندی طول ثابت بر اساس اندازه بخشها دو نوع است:بخشهای مساویبخش های نامساوی13

اسلاید 14: الگوریتم جایگذاری بخش بندی ایستا:بخشهای مساوی:بدلیل مساوی بودن تمام بخشها، مهم نیست کدام بخش استفاده شود.بخش های نامساوی:می توان هر فرایند را در کوچکترین بخشی که در آن جا می شود قرار داد. در این صورت باید از صف زمانبندی استفاده شود.برای هر بخش یک صف: حداقل هدر رفتن حافظه داخل هر بخشیک صف برای همه بخشها: 14

اسلاید 15: تخصیص حافظه برای بخش بندی ایستا:15

اسلاید 16: بخش بندی پویا:بخشها دارای طول و تعداد متغیر هستند.حافظه تخصیص یافته به هر فرایند، دقیقاً برابر میزان نیاز فرایند است.پس از تخصیص و آزاد سازی های مکرر حفره هایی در حافظه پدید می آیند که پراکندگی خارجی نامیده می شوند.فشرده سازی: معمولا برای مقابله با پراکندگی خارجی، سیستم عامل فرایند ها را انتقال می دهد تا کنار یکدیگر قرار گیرند و تمام حافظه آزاد در یک بلوک قرار گیرد.16

اسلاید 17: مثالی برای درک پراکندگی خارجی:17سیستم عامل 8M56Mدر ابتدا سیستم عامل 8M فضا اشغال می کند و 56Mفضای آزاد برای تخصیص به فرایند ها وجود دارد.فرایند1، 20M فضا اشغال می کند و 36M فضای آزاد باقی میماند.فرایند P120M36Mفرایند2، 14M فضا اشغال می کند و 22M فضای آزاد باقی می ماند.فرایند P214M22Mفرایند3، 18M فضا اشغال می کند و 4M فضای آزاد باقی می ماند.فرایند P318M4MPress Enter

اسلاید 18: مثالی برای درک پراکندگی خارجی:18سیستم عامل 8Mفرایند P120Mفرایند P214Mفرایند P318M4Mفرایند2،حذف می شود و 14M فضا آزاد می کند.فرایند4، 8M فضا اشغال می کند و در مکان قبلی فرایند2 قرار می گیرد و 6M فضای آزاد باقی می ماند.فرایند P48M6Mفرایند1، حذف می شود و 20M فضا آزاد می کند.فرایند2، 14M فضا اشغال می کند و در مکان قبلی فرایند1 قرار می گیرد 6M فضای آزاد باقی می ماند.فرایند P214M6Mپراکندگی خارجیپراکندگی خارجیپراکندگی خارجیPress Enter

اسلاید 19: الگوریتم جایگذاری بخش بندی پویا:اگر چند بلوک آزاد وجود داشته باشد سیستم عامل باید تصمیم بگیرد کدام بلوک آزاد را تخصیص دهد.3 الگوریتم جایگذاری وجود دارد:بهترین برازش(Best Fit)اولین برازش(First Fit)در پی برازش(Next Fit)19

اسلاید 20: الگوریتم جاگذاری بخش بندی پویا:بهترین برازش(Best Fit):کوچکترین بلوکی را که فرایند در آن جا می شود، انتخاب می کند.بیشترین هزینه اجرا و بدترین کارایی را دارد.از آنجا که کوچکترین بلوک به فرایند اختصاص میابد، کمترین پراکندگی را بوجود می آورد.اما معمولاً فضای باقیمانده 100% پراکندگی است، چرا که خیلی کوچک است، بنابراین فشرده سازی بیشتر باید انجام شود.20

اسلاید 21: الگوریتم جایگذاری بخش بندی پویا:اولین برازش(First Fit):حافظه را از ابتدا مرور می کند و اولین بلوک آزاد و کافی را به فرایند اختصاص می دهد.ساده ترین، سریعترین و بهترین الگوریتم است.ممکن است قسمت ابتدایی حافظه را از تکه های کوچک انباشته کند که هر بار باید جستجو شوند.21

اسلاید 22: الگوریتم جایگذاری بخش بندی پویا:در پی برازش(Next Fit):حافظه را از محل آخرین جایابی به بعد مرور می کند و اولین بلوک با اندازه کافی را انتخاب می کند.معمولاً به تخصیص یک بلوک آزاد در انتهای حافظه (جایی که بلوک های بزرگتری پیدا می شوند) می انجامد.بلوکهای بزرگ حافظه سریعاً به بلوکهای کوچکتر تقسیم می شوند.فشرده سازی در این الگوریتم با بسامد بیشتری انجام می شود.22

اسلاید 23: پیکر بندی حافظه قبل و بعد تخصیص یک بلو 16 مگا بایتی2314M36M18M22M12M8Mآخرین تخصیصاولین برازشبهترین برازش6M2Mدر پی برازش20Mبلوک آزادبلوک تخصیص یافته

اسلاید 24: انواع آدرس:منطقی:یک مراجعه به حافظه مستقل از اختصاص داده جاری به حافظه است.برای دسترسی به حافظه آدرس منطقی باید به آدرس فیزیکی ترجمه شود.نسبی:آدرس به صورت مکان نسبی به یک نقطه معلوم ( مثلاً ابتدای برنامه ) بیان می شود.فیزیکی:آدرس های واقعی یا مطلق در حافظه اصلی24

اسلاید 25: حمایت سخت افزاری برای جابجایی:برای ترجمه آدرس های نسبی به آدرس های فیزیکی حافظه اصلی در زمان اجرای دستورالعمل حاوی مراجعه راهکار های سخت افزاری مورد نیاز است.25

اسلاید 26: ثبات های بکار رفته حین اجرای دستورالعمل:ثبات پایه:آدرس شروع فرایندثبات حد:آدرس پایان فراینداین ثباتها هنگام بار شدن فرایند به حافظه اصلی یا مبادله تصویر فرایند به داخل مقدار دهی می شوند.26

اسلاید 27: ثبات های بکار رفته حین اجرای دستورالعمل:مقدار ثبات پایه به آدرس نسبی افزوده می شود تا یک آدرس مطلق بدست آید.آدرس بدست آمده با مقدار ثبات حد مقایسه می شود.اگر در محدوده باشد، اجرای دستورالعمل ادامه می یابد. در غیر این صورت خطایی به سیستم عامل داده می شود.27

اسلاید 28: صفحه بندی:بخش های حافظه به قطعات کوچکی با اندازه ثابت تقسیم می شوند. برنامه ها نیز به قطعاتی با همان اندازه تقسیم می شوند.قطعات یک برنامه، صفحه(Page) نامیده میشوند و قطعات مربوط به حافظه قاب(Frame) نام دارند.سیستم عامل برای هر فرایند یک جدول صفحه نگه می دارد.جدول صفحه، محل قابی که هر صفحه از فرایند را در بر دارد، نگه می دارد.هر آدرس منطقی شامل شماره صفحه و یک انحراف در صفحه است.28

اسلاید 29: مثالی از اختصاص قاب های آزاد به فرایندها:29 وجود پانزده قاب خالیPress Enterفرایند A با 4 صفحه بار میشودA.1A.2A.3A.0فرایند B با 3 صفحه بار میشودB.0B.1B.2فرایند C با 4 صفحه بار میشودC.0C.1C.2C.3فرایند B معلق شده و به دیسک انتقال میابدپس از مدتی تمامفرایندها معلق میشوند و نیاز است سیستم عاملفرایند D رابا 5 صفحه بار کند!!!!5 صفحه متوالی وجود ندارداما با مفهوم آدرس منطقی(شماره قاب و انحرافداخل صفحه) این مسأله حل میشود.D.1D.2D.3D.0D.401234567891011121314

اسلاید 30: 30 A.1A.2A.3A.0B.0B.1B.2C.0C.1C.2C.3D.1D.2D.3D.0D.4Press Enterپس از مدتی تمامفرایندها معلق میشوند و نیاز است سیستم عاملفرایند D رابا 5 صفحه بار کند!!!!5 صفحه متوالی وجود ندارداما با مفهوم آدرس منطقی(شماره قاب و انحرافداخل صفحه) این مسأله حل میشود.مثالی از اختصاص قاب های آزاد به فرایندها:-----9-----8712654111413-----102103فهرست قابهای خالیجدول صفحهفرایند Dجدول صفحهفرایند Cجدول صفحهفرایند Bجدول صفحهفرایندA 01234567891011121314

اسلاید 31: قطعه بندی:لزومی ندارد همه قطعات تمام برنامه ها دارای اندازه یکسان باشند.حداکثری برای طول قطعه وجود دارد.آدرس منطقی شامل دو بخش است: شماره قطعه و انحراف داخل قطعه.ازآنجایی که قطعه ها دارای طول متغیراند قطعه بندی مانند بخش بندی پویا است.31

اسلاید 32: سؤال و پاسخ : 32? ? ? ? ?

اسلاید 33: سؤال اول:مدیریت حافظه قصد دارد چه نوع نیاز هایی را برآورده سازد؟جابجاییحفاطتاشتراکسازمان منطقیسازمان فیزیکی33

اسلاید 34: سؤال دوم:به چه دلیل قابلیت جابجایی فرایند ها مفید است؟برنامه نویس نمی داند برنامه هنگام اجرا در کجای حافظه ذخیره میشود.هنگام اجرای برنامه ممکن است برنامه به دیسک منتقل شود و دوباره در مکان دیگری از حافظه قرار گیرد.34

اسلاید 35: سؤال سوم:چرا نمیتوان حفاظت حافظه را در زمان ترجمه انجام داد؟مکان برنامه در حافظه اصلی در زمان ترجمه مشخص نیست.اکثر زبانهای برنامه سازی محاسبه پویای آدرس در زمان اجرا (مثل محاسبه شاخص یک آرایه یا اشاره گر به یک ساختمان داده ) را اجازه میدهند.35

اسلاید 36: سؤال چهارم:دلایل مجاز بودن یک یا دو فرایند جهت دسترسی به بخشهای مشخصی از حافظه را بیان کنید.اگر تعدادی فرایند یک برنامه را اجرا میکنند، به جای اینکه هر فرایند کپی جداگانه ای از برنامه داشته باشد بهتر است همه فرایند ها به یک کپی از برنامه دسترسی داشته باشند. فرایند هایی که با همکاری یک وظیفه را جلو میبرند، ممکن است لازم باشد در دسترسی به ساختمان داده ای شریک باشند.36

اسلاید 37: سؤال پنجم:در طرح بخش بندی ثابت مزایای کاربرد بخش های با اندازه نامساوی چیست؟امکان این وجود دارد که دو یا چند بخش بزرگ را در کنار بخشهای دیگر داشت . بخشهای بزرگ، برنامه های بزرگتری را در خود جای میدهند.پراکندگی داخلی کمتر میشود چرا که برنامه های کوچکتر میتوانند در بخش های کوچکتر قرار گیرند.37

اسلاید 38: سؤال ششم:تفاوت میان پراکندگی داخلی و خارجی چیست؟پراکندگی داخلی مربوط به اتلاف فضای داخلی در داخل بلوک ها میشود. زمانی رخ میدهد که برنامه بار شده در بلوک از فضای بلوک کوچکتر است.پراکندگی خارجی پدیده ایست که به بخش بندی پویا مربوط میشود و از این واقعیت ناشی میشود که تعداد زیادی از فضاهای کوچک داخل حافضه اصلی در یک فضای غیر قابل استفاده انباشته میشوند.38

اسلاید 39: سؤال هفتم:آدرس های منطقی نسبی و فیزیکی چگونه متمایز میشوند؟یک آدرس منطقی یک ارجاع به یک محل مستقل از حافظه گمارده شده برای داده های کنونی است. یک عمل ترجمه باید آدرس فیزیکی را برای داده هایی که قرار است از حافظه دستیابی شوند ایجاد نماید.آدرس نسبی یک نمونه خاص از آدرس منطقی است که در آن آدرس یک مکان نسبی نسبت به یک نقطه معین مثلاً ابتدای برنامه را مشخص میکند.آدرس فیزیکی یا آدرس مطلق یک محل واقعی در حافظه اصلی میباشد.39

اسلاید 40: سؤال هشتم:تفاوت میان صفحه و قاب چیست؟در یک سیستم صفحه بندی برنامه ها و داده های ذخیره شده در دیسک به بلوک های با اندازه ثابت و مساوی تقسیم میشوند، که صفحه نامیده میشوند، و حافظه اصلی نیز به قطعاتی با همان اندازه تقسیم میشود که قاب نامیده میشود. دقیقاً هر قاب برای یک صفحه مناسب است.40

اسلاید 41: سؤال نهم:تفاوت میان صفحه و قطعه چیست؟در روش قطعه بندی، برنامه کاربر به تعدادی قطعه تقسیم میشود. لزومی ندارد اندازه قطعه ها با هم برابر باشد، گر چه حداکثری برای طول قطعه وجود دارد.41