Speicherverwaltung

Die Speicherverwaltung (= Memory Management) ist ein wichtiger Teil des Betriebssystems. Um genau zu sein ist es ein Grundbestandteil eines Betriebssystems und meistens sogar vollständig im Kernel enthalten.

Einleitung

Generell ist die Speicherverwaltung dafür zuständig nachfragenden Prozessen freien Speicher zuzuteilen bzw. freizugebenden Speicher wieder zurückzunehmen. Dazu muss natürlich gespeichert werden, welche Speicherbereiche belegt bzw. frei sind. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Speicherverwaltung normalerweise auf 2 Ebenen aufgeteilt wird: Zum einen die physische Speicherverwaltung und darauf aufbauend die virtuelle Speicherverwaltung.

physische Speicherverwaltung

Die physische Speicherverwaltung bildet die unterste Ebene und ermöglicht das Allozieren und Freigeben von physischen Speicherbereichen. Meist sind diese Speicherbereiche gleich groß und richten sich nach der Seitengröße der jeweiligen Architektur. Intern speichert die physische Speicherverwaltung welche Speicherbereiche im physischen Speicher frei sind. Dies könnte folgendermaßen implementiert werden:

Bitmap

Dabei wird eine Bitmap der Größe Speichergröße / (Größe einer Speicherseite * 8) erstellt. Das x-te Bit dieser Bitmap gibt an ob die x-te Speicherseite (bzw. die Speicherseite an Adresse Größe einer Speicherseite * x) frei oder belegt ist. Bei 4GB RAM benötigt man dafür eine 128kB große Bitmap.

Allokation & Freigabe von Speicherseiten

Um eine Speicherseite zu allozieren wird die Bitmap solange durchsucht, bis man ein Bit mit dem Wert 0 gefunden hat. Dieses Bit setzt man dann auf 1, um anzuzeigen, dass diese Speicherseite ab jetzt belegt ist. Dann errechnet man anhand der Position dieses Bits in der Bitmap die Adresse der Speicherseite. Anschließend kann man die Adresse an die aufrufende Funktion zurückgeben.
Zum Freigeben einer Speicherseite muss nur die Bitposition aus der physischen Adresse berechnet werden und anschließend das Bit an der errechneten Position auf 0 gesetzt werden.

Implementationsvorschläge

• Wenn man sich die Bitposition der zuletzt allozierten/freigegebenen Speicherseite merkt, kann man zumindest im Normalfall das Allozieren von Speicherseiten beschleunigen.
• Wenn man beim Allozieren gleich 32 bzw 64 Bit mit dem Wert 0xFFFFFFFF bzw. 0xFFFFFFFFFFFFFFFF vergleicht, kann man mit einem Vergleich gleich 32 bzw. 64 Speicherseiten ausschließen.

Eigenschaften

+ Das Allozieren physisch kontinuierlicher Speicherseiten ist möglich. (lineare Komplexität)
o Die Bitmap ist relativ klein.
o Das Freigeben einer Speicherseite ist in konstanter Zeit möglich. (konstante Komplexität)
- Zum Allozieren einer Speicherseite muss im schlechtesten Fall die gesamte Bitmap durchsucht werden. (lineare Komplexität)

Stack

Die Adressen der Speicherseiten werden hierbei auf einen Stack gelegt.

Allokation & Freigabe von Speicherseiten

Zum Allozieren einer Speicherseite wird einfach die Adresse, die ganz oben auf dem Stack liegt, genommen. Anschließend wird der Zeiger auf das Stackende angepasst.
Das Freigeben einer Speicherseite exakt umgekehrt zur Allokation.

Implementationsvorschlag

Der Speicher, der für den Stack benutzt wird, wird aus den Speicherseiten, die auf den Stack gelegt werden sollen, erstellt. Dies kann folgendermaßen implementiert werden: Beim Start des Kernels ist der Stack erstmal leer. Desweiteren ist nur ein virtueller und kein physikalischer Speicherbereich für den Stack reserviert. Anschließend geht man die freien Speicherbereiche durch und legt jede freie Speicherseite auf den Stack. Da der Stack bei der ersten Speicherseite noch keinen Speicherbereich hat, nimmt man einfach diese Seite und blendet in den virtuellen Adressraum an der Adresse des Stacks ein. Anschließend können die Adressen einiger Speicherseiten auf den Stack gelegt werden, solange bis wieder kein Speicher vorhanden ist. Dann wird einfach die nächste Speicherseite, die auf den Stack gelegt werden soll, in den virtuellen Adressraum ein. Das kann man beim Freigeben natürlich analog implementieren und Speicherseiten, die in den virtuellen Adressraum engeblendet waren, wieder freigeben, falls dieser Speicherbereich nicht mehr vom Stack selbst benötigt wird. Somit verbraucht der Stack im Prinzip "keinen" Speicher.

Eigenschaften

+ Das Allozieren einer Speicherseite ist in konstanter Zeit möglich. (konstante Komplexität)
+ Der Stack verbraucht keinen Speicher.
o Das Freigeben einer Speicherseite ist in konstanter Zeit möglich. (konstante Komplexität)
- Das Allozieren physisch kontinuierlicher Speicherseiten ist unmöglich.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass eine Kombination aus den oben erklärten Datenstrukturen das Beste sein wird. Die Bitmap hat den Vorteil, dass man physisch kontinuierlichen Speicher allozieren kann. Dies benötigt man vor allem für DMA. Das heißt es macht Sinn bei der x86- bzw. x86-64-Architektur die unteren 1/16MB mit einer Bitmap zu verwalten. Der Stack hingegen hat einen unschlagbaren Geschwindigkeits- und Speichervorteil und kann für den Rest des Speichers verwendet werden.

virtuelle Speicherverwaltung

Die virtuelle Speicherverwaltung befindet sich eine Schicht über der physischen Speicherverwaltung und ist für die Organisation der Speicherbereiche im virtuellen Adressraum eines Prozesses zuständig. Dies bedeutet auch, dass sie das Ein- und Ausblenden von physischen Speicherseiten in den virtuellen Adressraum eines Prozesses übernimmt.
Das wird im Grunde so gemacht: Jeder Prozess bekommt beim Erzeugen mindestens ein Pagedirectory und ein Pagetable. Pagedirectory und Pagetable sind jeweils 4kB groß, die Pages können mithilfe der physischen Speicherverwaltung leicht und dynamisch angefordert werden. Wann immer man ein neues Pagedirectory oder Pagetable braucht, muss man einfach nur eine physische Speicherseite von der physischen Speicherverwaltung anfordern. Natürlich braucht der Prozess auch noch Speicher den er benutzen kann, dieser wird auch mithilfe der physischen Speicherverwaltung angefordert und kann dann leicht in die Pagetables eingetragen werden. Beim Prozesswechsel muss man nur noch CR3 mit dem richtigen Pagedir laden. Man sollte natürlich auf keinen Fall vergessen den Kernel in jeden der Pagedirectories/Pagetables der Prozesse einzutragen.