Управление памятью

Управление памятью является, возможно, самым интересным свойством z/OS. Аббревиатура первого названия ОС - MVS расшифровывается как Multiply Virtual Storage и отражает именно аспект управления памятью. Каждая задача в MVS (и в ее современных наследниках) обладает собственным виртуальным АП. Размер этого АП составлял 16 Мбайт в ранних версиях ОС (24-битный адрес), 2 Гбайта, начиная с MVS/XA (31-битный адрес) и 16 эксабайт в z/OS (64-битный адрес). Мы рассмотрим сначала первые две модели адресации, а затем отдельно расскажем об "освоении" системой 64-битного адреса.

Распределение виртуального АП для 24- и 31-битого размера адреса показано на рисунке 12.6. Нижняя часть виртуального АП занята системой, она перекрывается для всех АП, но для прикладных программ недоступна. Верхняя часть виртуального 16-Мбайтного АП - общая область памяти, занимаемая объектами, совместно используемыми разными задачами. Это как разделяемые объекты данных, так и совместно используемые программные коды, например, системные сервисные службы, такие как TSO и т.п. АП между этими двумя областями является частным АП задачи. При расширении АП до 2 Гбайт дополнительная часть общей области памяти, смежная со "старой" появляется по другую сторону 16-Мбайтной границы, остальная часть дополнительного АП является дополнительным частным пространством задачи. Таким образом, задачи, в которых выполняются программы, разработанные для 24-разрядных версий MVS, видят привычную для себя структуру 16-Мбайтного АП, задачи, созданные для новых версий, видят полную структуру 2-Гбайтного АП. Размещение в памяти и выполнение программы определяется параметрами RMODE и AMODE. Первый из этих параметров определяет размещение программы в нижней или верхней части АП. Значение параметра AMODE отображается на соответствующий бит PSW и определяет режим выполнения некоторых команд процессора, при AMODE=24 команды, работающие с адресами, используют 24-битный адрес, при AMODE=31 - 31-битный адрес. Каждая программная секция характеризуется своими параметрами RMODE и AMODE, таким образом, режимы адресации могут изменяться и в ходе выполнения одной задачи.

Рисунок 12.6 Виртуальное адресное пространство в OS/390

z/OS предоставляет также приложениям возможности использовать дополнительные АП. Хотя реализации всех этих возможностей используют описанные выше регистры доступа AR, с точки зрения приложений их можно разделить на 4 направления:

• коммуникации "пересечения памяти" (cross memory communications);
• явное использование дополнительных АП (AR ACS mode);
• пространства данных (data spaces);
• гиперпространства (hiperspaces).

Коммуникации пересечения памяти позволяют программе передавать управление в другое АП. Управление передается не "напрямую", а через системный вызов (блок запроса SRB). Различают синхронные и асинхронные коммуникации пересечения памяти.

В так называемом первичном режиме AR-программа работает только с данными, расположенными в первичном АП. В режиме же управления памятью через регистры доступа в режиме ACS AR-программа может определять регистры AR, используемые для трансляции адресов и, таким образом, употреблять обычные команды обращения к данным для работы с параллельными АП. Программа, однако, не может передавать управление в другое АП, для этого режим ACS AR надо комбинировать с коммуникациями пересечения памяти.

Пространства данных и гиперпространства являются дополнительными именованными АП размером от 4 Кбайт до 2 Гбайт, используемыми только для размещения данных.

Программа, использующая пространства данных, должна работать в режиме ACS AR. Она использует системные вызовы для создания и удаления пространства данных и управления им, команды же, выполняемые в основном АП, могут непосредственно манипулировать данными в пространстве данных.

Программа, использующая гиперпространства, может работать в первичном режиме AR. Она использует системные вызовы для создания и удаления пространства данных и управления им, а также для того, чтобы пересылать данные между гиперпространством и основным АП. Обмен между первичным АП и гиперпространством ведется 4-Кбайтными блоками.

Пространства данных или гиперпространства могут содержать также и программные коды, но передавать управление на эти коды непосредственно программа не может. Для выполнения эти коды должны быть пересланы в буфер в первичном АП. Физически оба вида пространств могут размещаться как в основной, так и в расширенной памяти, но для пространства данных предпочтение отдается основной памяти, а для гиперпространства - расширенной. Для управления пространствами данных система использует те же механизмы страничного обмена, что и для первичного АП. Поскольку же манипулирование данными в гиперпространстве несколько ограничено, для управления гиперпространством используются более простые и более эффективные алгоритмы.

В z/OS имеется также механизм отображения в память объектов данных (data-in-virtual), аналогичный файлам, отображаемым в память, в Unix. Этот механизм позволяет назначить "окно" виртуальных адресов, просматривать в этом окне нужную часть объекта данных и перемещать окно по мере необходимости. Отображение данных возможно (и предпочтительно) в пространство данных или в гиперпространство.

Приложение получает память в своем виртуальном АП, используя системные вызовы явного (GETMAIN или STORAGE) или неявного выделения памяти. Управление выделением памяти ведется при помощи так называемых подпулов. Подпулы состоят из 4-Кбайтных блоков памяти и формируются динамически: блоки добавляются в подпул или удаляются из него по мере необходимости. Система удовлетворяет каждый запрос на выделение памяти из одного блока (разумеется, кроме тех случаев, когда размер запроса превосходит размер блока). При размещении небольших запросов система ищет свободное место в уже выделенных блоках по принципу "самый подходящий" и лишь при невозможности удовлетворить запрос таким образом выделяет новый блок.

При создании любой задачи для нее обязательно создается подпул 0, но в задаче может быть создано и большее число подпулов. Любой подпул может использоваться только одной задачей или разделяться несколькими задачами. Подпул 0 разделяется задачей со всеми ее подзадачами, но если подпул 0 задачи определен как неразделяемый, для каждой подзадачи будет создаваться свой подпул 0. Монопольно используемые подпулы освобождаются с окончанием задачи, которая ими владеет. Разделяемые подпулы сохраняются, пока сохраняется хотя бы одна из использующих их задач.

"64-разрядная революция" аппаратуры мейнфреймов осваивается z/OS за несколько шагов.

Первый шаг, сделанный в z/OS V1R1, обеспечил 64-битное управление реальной памятью, что позволило уменьшить страничный обмен и ограничения на память для прежних 31-разрядных приложений.

Со второго шага, сделанного в z/OS V1R2, обеспечивается поддержка 64-битной адресации в одном АП. Качественно картина виртуальной памяти приложения остается такой же, как и представленная на рисунке 12.6, но выше границы 2 Гбайт, называемой "планкой" (bar) появляется дополнительная часть частного АП. Любая 31-битная программа может теперь получать виртуальную память за планкой и манипулировать данными в этой памяти. Программа по-прежнему размещается в пределах 2 Гбайт, виртуальная память выше планки предназначена только для данных. Новый язык Ассемблера включает в себя новые команды для работы с данными за планкой и манипулирования с 64-разрядными регистрами общего назначения. Системные вызовы для работы с данными за планкой включают в себя прежние механизмы выделения и освобождения памяти - для совместимости со старыми программами, но система управляет пространством выше планки как объектами данных. В новых механизмах программа создает за планкой объекты данных, размер которых кратен 1 Мбайту. В V1R2 объекты данных не могут совместно использоваться в разных АП.

Третий шаг (z/OS V1R3) состоит во внедрении AMODE=64. В сочетании с новыми возможностями Редактора Связей и Загрузчика этот режим позволяет создавать полностью 64-разрядные программы.

Четвертый шаг, который будет реализован в следующей версии z/OS, - обеспечение возможности разделения объектов данных, размещенных за планкой между разными АП.

Параллельно с введением 64-разрядных возможностей в системные сервисы и низкоуровневое программирование они внедряются и в инструментальные средства (C/C++, Java), и в основные продукты промежуточного программного обеспечения (DB2, WebSphere и др.).