Эбберс М. Введение в современные мейнфреймы: основы z/OS

Подождите немного. Документ загружается.

82 Глава3

342 Что такое адресное пространство?

Диапазон виртуальных адресов, которые операционная система назначает пользо-

вателю или отдельно работающей программе, называется адресным пространс-

твом (address space). Он представляет собой набор идущих подряд виртуальных

адресов, доступных для выполнения инструкций и хранения данных. Диапазон

виртуальных адресов в адресном пространстве

начинается с нуля и может достигать максималь-

ного адреса, разрешенного архитектурой опера-

ционной системы.

z/OS выделяет для каждого пользователя уни-

кальное адресное пространство и обеспечивает

разделение между программами и данными, отно-

сящимися к каждому адресному пространству. В каждом адресном пространстве

пользователь может запускать несколько задач, применяя блоки управления задачами

(task control blocks, TCB), поддерживающие мультипрограммирование.

В некотором смысле адресное пространство z/OS подобно процессу в UNIX,

а идентификатор адресного пространства (address space identifier, ASID) подобен

идентификатору процесса (process ID, PID). Кроме того, TCB подобны потокам в UNIX

в том смысле, что каждая операционная система поддерживает одновременную об-

работку нескольких единиц работы.

Однако использование нескольких виртуальных адресных пространств в z/OS

предоставляет некоторые особые преимущества. Виртуальная адресация позволяет

использовать диапазоны адресов, превышающие возможности основной памяти

системы. Использование нескольких виртуальных адресных пространств обеспечи-

вает возможность виртуальной адресации для каждого задания в системе путем на-

значения каждому заданию собственного виртуального адресного пространства. По-

тенциально большое количество адресных пространств обеспечивает большой объем

виртуальной адресации системы.

При использовании нескольких виртуальных адресных пространств ошибки ог-

раничиваются одним адресным пространством, за исключением ошибок в памяти

с общей адресацией, что повышает надежность системы и упрощает восстановление

после ошибок. Программы в отдельных адресных пространствах защищены друг от

друга. Изоляция данных в отдельном адресном пространстве также позволяет защи-

тить данные.

z/OS использует множество адресных пространств. Применяется по меньшей ме-

ре одно адресное пространство для каждого выполняемого задания и еще одно ад-

ресное пространство для каждого пользователя, подключенного через TSO, telnet,

rlogin или FTP (пользователи, подключенные к z/OS через такие подсистемы, как CICS

или IMS, применяют адресное пространство подсистемы, а не собственные адресные

пространства). Используется множество адресных пространств для реализации фун-

кций операционной системы, в частности связи с оператором, автоматизации, сете-

вых функций, безопасности и т. д.

Адресноепространство–

диапазонвиртуальных

адресов,которые

операционнаясистема

назначаетпользователюили

программе

 Общиесведенияоz/OS 83

Изоляция адресного пространства

Использование адресных пространств позволяет z/OS обеспечивать разделение меж-

ду программами и данными, относящимися к отдельным адресным пространствам.

Приватные области в адресном пространстве одного пользователя изолированы от

приватных областей в других адресных пространствах, что в значительной степени

обеспечивает безопасность операционной системы.

Кроме того, каждое адресное пространство содержит общую область, доступную

для всех остальных адресных пространств. Так как адресное пространство отобража-

ет все доступные адреса, оно включает системный код и данные, а также пользова-

тельский код и данные. Таким образом, не все отображаемые адреса доступны для

пользовательского кода и данных.

Возможность совместного использования одних и тех же ресурсов многими

пользователями подразумевает необходимость защиты пользователей друг от друга

и защиты самой операционной системы. Наряду с такими методами, как использова

ние «ключей» для защиты основной памяти и кодовых слов для защиты файлов дан-

ных и программ, отдельные адресные пространства обеспечивают отсутствие нало-

жения пользовательских программ и данных.

Связь адресных пространств

В среде с несколькими виртуальными адресными пространствами приложениям не-

обходимы способы связи адресных пространств; z/OS содержит два метода связи

между адресными пространствами:

• назначение блока запроса обслуживания (SRB) – асинхронный процесс;

• использование служб межпространственной связи (cross-memory services)

и регистров доступа – синхронный процесс.

Программа использует SRB для запуска процесса в другом адресном пространстве

или в том же адресном пространстве. SRB по сути является асинхронным и работает

независимо от программы, которая его создает, повышая, таким образом, доступ-

ность ресурсов в среде мультипроцесссирования. Более подробно SRB рассматрива-

ются в разделе «Что такое SRB?».

Программа использует службы межпространственной связи для прямого до-

ступа к адресному пространству другого пользователя. Можно сравнить службы

межпространственной связи в z/OS с функциями разделяемой памяти (Shared

Memory) в UNIX которые можно использовать без специальных полномочий. Од-

нако в отличие от UNIX, службы межпространственной связи в z/OS требуют,

чтобы обращающаяся программа имела специальные полномочия, контролируе-

мые средством авторизации программ (Authorized Program Facility, APF). Этот ме-

тод позволяет обеспечить эффективный и безопасный доступ к данным, прина-

длежащим другим пользователям, к данным, принадлежащим пользователю, но

для удобства хранящимся в другом адресном пространстве, а также быструю и за

щищенную связь с такими службами, как менеджеры транзакций и менеджеры

баз данных.

84 Глава3

Дополнительные сведения. Подробное описание использования служб межпро-

странственной связи см. в руководстве z/OS MVS Programming: Extended Addressability

Guide. Эту и другие публикации IBM можно найти на веб-сайте z/OS Internet Library

http://www.ibm.com/servers/eserver/zseries/zos/bkserv/

343 Что такое динамическая трансляция адреса?

Динамическая трансляция адреса (dynamic address translation, DAT) представляет со-

бой процесс преобразования виртуального адреса при ссылке на участок памяти

в соответствующий реальный адрес. Если виртуальный адрес уже ссылается на основ

ную память, процесс динамической трансляции адреса может быть ускорен посредс-

твом использования буфера быстрого преобразования адреса (translation lookaside

buffer). Если виртуальный адрес не ссылается на основную память, возникает преры-

вание по отсутствию страницы (page fault interrupt), после чего z/OS извлекает стра-

ницу из вспомогательной памяти.

При более внимательном рассмотрении этого процесса выясняется, что компью-

тер может обнаруживать ошибки типа, региона, сегмента или страницы, в зависи-

мости от того, в каком месте структуры DAT обнаруживаются недопустимые записи.

Ошибки повторяются в структуре DAT до тех пор, пока в конечном счете не выдается

ошибка отсутствия страницы, после чего выполняется первоначальное выделение

виртуальной страницы в основной памяти (если копия отсутствует во вспомогатель-

ной памяти) либо передача страницы из вспомогательной памяти.

Реализация DAT осуществляется как аппаратным, так и программным обеспече-

нием посредством использования таблиц страниц, таблиц сегментов, таблиц регио-

нов и буферов быстрого преобразования адреса. DAT позволяет различным адресным

пространствам совместно использовать одну программу или другие данные с досту-

пом только для чтения. Это связано с тем, что виртуальные адреса в разных адресных

пространствах могут преобразовываться к одному фрейму основной памяти. В про-

тивном случае требовалось бы использовать много копий программы или данных,

по одной для каждого адресного пространства.

344 Обзор виртуальной памяти

Как мы говорили, для выполнения процессором программной инструкции эта инс-

трукция и данные, на которые она ссылается, должны находиться в основной памяти.

В первых операционных системах было требование, чтобы при выполнении про-

граммных инструкций вся программа целиком находилась в основной памяти. Одна-

ко всей программе необязательно находиться в основной памяти при выполнении

инструкции. Вместо того, перенося фрагменты программы в основную память по

мере готовности процессора выполнять их, и перемещая их во вспомогательную па-

мять, когда они не нужны, операционная система может одновременно выполнять

большее количество программ большего размера.

Итак, каким же образом операционная система отслеживает каждый фрагмент

программы? Откуда она знает, где он находится: в основной или во вспомогательной

памяти. Специалистам в z/OS важно понимать, каким образом операционная система

это делает.

 Общиесведенияоz/OS 85

Физическая память разделена на области одинакового размера, доступ к которым

осуществляется по уникальному адресу. В основной памяти эти области называются

фреймами (frames); во вспомогательной памяти они называются слотами (slots). По-

добным образом операционная система может разделить программу на фрагменты

размером с фрейм или слот и назначить каждому фрагменту уникальный адрес. Такое

назначение позволяет операционной системе отслеживать эти фрагменты. В z/OS

фрагменты программы называются страницами (pages). Эти области более подроб-

но рассматриваются в разделе «Фреймы, страницы и слоты».

Для адресации страниц используются виртуальные, а не реальные адреса. С мо-

мента ввода программы в систему до завершения ее выполнения виртуальный адрес

страницы остается неизменным, независимо от того, находится ли страница в основ-

ной или во вспомогательной памяти. Каждая страница состоит из отдельных элемен-

тов, называемых байтами, каждый из которых имеет уникальный виртуальный адрес.

Формат виртуального адреса

Как говорилось выше, виртуальная память является иллюзией, создаваемой архитек-

турой, что система как будто имеет больше памяти, чем в действительности. Каждый

пользователь или программа получает адресное пространство, и каждое адресное

пространство содержит одинаковый диапазон адресов памяти. В действительности

в основную память загружаются только те фрагменты адресного пространства, кото

рые необходимы в данный момент времени; z/OS оставляет неактивные фрагменты

адресных пространств во вспомогательной памяти; z/OS управляет адресными про-

странствами, используя единицы различного размера, в частности:

Страница

Адресныепространстваразделяютсяна4-килобайтовыеблокивиртуальнойпамяти,

называемыестраницами

Сегмент

Адресныепространстваразделяютсяна1-мегабайтовыеблоки,называемые

сегментамиСегментпредставляетсобойблокпоследовательныхвиртуальных

адресов,охватывающиймегабайт,начинаяс1-мегабайтовогопредела;



2-гигабайтовоеадресноепространство,например,содержит2048сегментов

Регион

Адресныепространстваразделяютсянаблокиразмеромот2до8Гб,называемые

регионамиРегионпредставляетсобойблокпоследовательныхвиртуальныхадресов,

охватывающий2-8Гб,начинаяс2-гигабайтовогопредела;4-терабайтовоеадресное

пространство,например,содержит2048регионов

Виртуальный адрес соответственно имеет четыре основных поля: разряды 0–32

называются индексом региона (region index, RX), разряды 33–43 называются индек-

сом сегмента (segment index, SX), разряды 44–51 называются индексом страницы

(page index, PX), и разряды 52–63 называются индексом байта (byte index, BX).

Виртуальный адрес имеет следующий формат:

В зависимости от значения управляющего элемента адресного пространства (ad-

dress-space-control element), виртуальное адресное пространство может представлять

86 Глава3

собой как 2-гигабайтовое пространство, содержащее один регион, так и 16-экзабай-

товое пространство. Компонент RX виртуального адреса для 2-гигабайтового адрес-

ного пространства должен содержать одни нули; в противном случае возникает ис-

ключение.

Компонент RX виртуального адреса разделен на три поля. Разряды 0–10 называ-

ются первым индексом региона (region first index, RFX), разряды 11–21 называются

вторым индексом региона (region second index, RSX), и разряды 22–32 называются

третьим индексом региона (region third index, RTX). Разряды 0–32 виртуального ад-

реса имеют следующий формат:

Виртуальный адрес, в котором самым старшим компонентом является RTX

(42-разрядный адрес), может выполнять адресацию 4 Тб (2 048 регионов); виртуаль

ный адрес, в котором самым старшим компонентом является RSX (53-разрядный ад-

рес), может выполнять адресацию 8 Пб (4 миллиона регионов), и виртуальный адрес,

в котором самым старшим компонентом является RFX (64-разрядный адрес), может

выполнять адресацию 16 Эб (8 миллиардов регионов).

Каким образом в z/OS выполняется адресация виртуальной памяти

Как говорилось выше, использование виртуальной памяти в z/OS означает, что во

время обработки в основной памяти должны находиться только активные фраг-

менты программы. Неактивные фрагменты содержатся во вспомогательной памяти.

На рис. 3.3 представлена концепция виртуальной памяти, реализованная в z/OS,

в действии.

На рис. 3.3 обратите внимание на следующее:

• Адрес является идентификатором нужного фрагмента информации, но не

описанием того, где в основной памяти находится этот фрагмент информа-

ции. Благодаря этому размер адресного пространства (т. е. все адреса, доступ

ные программе) может превышать размер доступной основной памяти.

• В большинстве пользовательских программ во всех ссылках на основную па-

мять используются адреса виртуальной памяти

• Для преобразования виртуального адреса в физическое расположение в ос-

новной памяти используется механизм динамической трансляции адреса

(DAT). Как показано на рис. 3.3, может существовать несколько виртуальных

адресов 10254000, так как эти виртуальные адреса соответствуют различным

адресам в основной памяти.

• Если запрашиваемого адреса нет в основной памяти, в z/OS возникает аппа-

ратное прерывание и операционная система выполняет загрузку нужных инс-

трукций и данных в основную память.

Некоторые инструкции, в основном те, которые используются программами операционной системы,

требуют использования реальных адресов.

 Общиесведенияоz/OS 87

Фреймы, страницы и слоты

После выбора программы для выполнения система переносит ее в виртуальную па-

мять, разделяет ее на страницы по 4 Кб, передает страницы в основную память для

выполнения. С точки зрения программиста вся программа представляется таким об-

разом, как будто она постоянно занимает непре-

рывное пространство в памяти. В действительнос-

ти не все страницы программы обязательно нахо-

дятся в основной памяти, а те страницы, которые

находятся в основной памяти, необязательно за-

нимают непрерывное пространство.

Фрагменты программы, выполняющиеся в вир-

туальной памяти, необходимо перемещать между

основной и вспомогательной памятью. Для этого

z/OS при управлении хранением работает с блока-

ми размером 4 Кб. Определены следующие блоки:

• блок в основной памяти называется фреймом (frame);

• блок в виртуальной памяти называется страницей (page);

• блок во вспомогательной памяти называется слотом (slot).

abc

00971000

0014A000

Вспомогательная память

Реальный адрес

Основная память

10254000

Виртуальный

адрес

xyx

Реальный адрес

Адресное пространство

пользователя A

Адресное пространство

пользователя B

10254000

Виртуальный

адрес

Виртуальная память

Рис 33 Сочетаниеосновнойивспомогательнойпамятидлясозданияиллюзиивиртуальнойпамяти

Фреймы–

областивосновнойпамяти,

имеющиеодинаковыйразмер

идоступныепоуникальному

адресу

Слоты–



областивовспомогательной

памяти,имеющиеодинаковый

размеридоступныепо

уникальномуадресу

88 Глава3

Страница, фрейм и слот имеют одинаковый размер – 4 Кб. Активная страница

виртуальной памяти находится во фрейме основной памяти. Страница виртуальной

памяти, которая становится неактивной, находится в слоте вспомогательной памяти

(в страничном наборе данных). На рис. 3.4 показана связь между страницами, фрей-

мами и слотами.

На рис. 3.4 показано, каким образом z/OS выполняет загрузку страниц для про-

граммы, выполняющейся в виртуальной памяти. Квадраты, обозначенные буквами,

представляют части программы. В этом упрощенном представлении части про-

граммы A, E, F и H активны и выполняются во фреймах основной памяти, тогда как

части B, C, D и G неактивны и перемещены в слоты вспомогательной памяти. Тем

не менее все части программы находятся в виртуальной памяти и имеют виртуаль-

ные адреса.

ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ПАМЯТЬ

СЛОТЫ

D G

ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ

ФРЕЙМЫ

ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ

СТРАНИЦЫ

Рис 34 Фреймы,страницыислоты

345 Что такое страничный обмен?

Как говорилось выше, z/OS использует набор таблиц для того, чтобы определить,

находится ли страница в основной или вспомогательной памяти и где именно.

Чтобы найти страницу программы, z/OS ищет виртуальный адрес страницы в таб-

лице, вместо того чтобы просматривать всю физическую память. Затем z/OS при

необходимости передает страницу в основную память или во вспомогательную

память. Такое перемещение страниц между слотами вспомогательной памяти

и фреймами основной памяти называется

страничным обменом (paging). Понима-

ние выполнения страничного обмена важно для понимания использования вирту-

альной памяти в z/OS.

В z/OS страничный обмен невидим для пользователя. Во время выполнения зада-

ния происходит передача (или подкачка) только нужных фрагментов приложения

в основную память. Страницы остаются в основной памяти до тех пор, пока они не

станут ненужными или пока то же приложение или приложение с более высоким

 Общиесведенияоz/OS 89

приоритетом не затребует другую страницу и при этом в основной памяти не будет

свободного места. При выборе страниц для вытеснения во вспомогательную память

z/OS использует алгоритм наименьшего использования. Другими словами, z/OS пред-

полагает, что страница, которая определенное время не использовалась, скорее всего

не будет использоваться и в ближайшем будущем.

Как выполняется страничный обмен в z/OS

Помимо DAT-оборудования и таблиц сегментов и страниц, нужных для трансляции

адресов, при страничном обмене используется множество системных компонентов

для управления перемещением страниц, а также несколько дополнительных таблиц

для определения наиболее актуальной версии каждой страницы.

Для того чтобы понять принцип выполнения страничного обмена, рассмотрим

ситуацию, когда DAT при трансляции адресов обнаруживает недопустимую запись

в таблице страниц; это указывает на то, что необходима страница, не находящаяся во

фрейме основной памяти. Чтобы разрешить ошибку отсутствия страницы, система

должна перенести страницу из вспомогательной памяти. Однако прежде она должна

найти свободный фрейм в основной памяти. Если такого фрейма нет, необходимо

сохранить запрос и освободить выделенный фрейм. Для освобождения фрейма сис-

тема копирует его содержимое во вспомогательную память и помечает соответству-

ющую запись в таблице страниц как недействительную. Эта операция называется вы-

теснением страницы (page-out).

После нахождения фрейма для требуемой страницы содержимое страницы копи-

руется из вспомогательной памяти в основную память и бит недействительности за-

писи таблицы страниц сбрасывается. Эта операция называется подкачкой страницы

(page-in).

Страничный обмен может также выполняться, когда z/OS загружает всю програм-

му в виртуальную память; z/OS получает виртуальную память для пользовательской

программы и выделяет фреймы основной памяти для каждой страницы. После этого

каждая страница является активной и допускает выполнение обычных операций

страничного обмена; другими словами, самые активные страницы удерживаются

в основной памяти, тогда как страницы, неактивные на данный момент, вытесняются

во вспомогательную память.

Изъятие страницы

z/OS пытается обеспечивать достаточный запас доступных фреймов основной памя-

ти. Когда программа обращается к странице, не находящейся в основной памяти,

z/OS использует фрейм страницы основной памяти из запаса доступных фреймов.

Когда этот запас становится недостаточным, z/OS выполняет изъятие страни-

цы (page stealing) для его пополнения; другими словами, выбирается фрейм, выде-

ленный для активного пользователя, который делается доступным для других задач.

Решение об изъятии определенной страницы основано на истории активности

каждой страницы, находящейся во фрейме основной памяти. Страницы, которые

относительно долгое время были неактивны, являются подходящими кандидатами

для изъятия.

90 Глава3

Счетчик интервалов отсутствия обращений

z/OS использует сложный алгоритм страничного обмена для эффективного управ-

ления виртуальной памятью, основанный на информации о недавно использовав-

шихся страницах. Счетчик интервалов отсутствия обращений показывает, сколько

времени прошло с момента обращения программы к странице. Система через ре-

гулярные интервалы проверяет бит обращения для каждого страничного фрейма.

Если бит обращения выключен (т. е. к фрейму не было обращений), система увели

чивает значение счетчика интервалов отсутствия обращений для этого фрейма.

Добавляется количество секунд с момента последней проверки счетчика для этого

адресного пространства. Если бит обращения включен, это означает, что имело

место обращение к фрейму, после чего система его отключает и сбрасывает счет-

чик интервалов отсутствия обращений для фрейма в нуль. Фреймы с наивысшими

значениями счетчика интервалов отсутствия обращений – наиболее вероятные

кандидаты для изъятия.

z/OS также использует различные менеджеры памяти для отслеживания всех

страниц, фреймов и слотов в системе. Более подробно это описывается в разделе

3.4.8, «Роль менеджеров памяти».

346 Свопинг и рабочий набор

Свопинг (swapping) представляет собой процесс передачи всех страниц адресного

пространства между основной и вспомогательной памятью. Загруженное адресное

пространство является активным и содержит страницы во фреймах основной памяти

и в слотах вспомогательной памяти. Выгруженное адресное пространство является

неактивным; адресное пространство находится во вспомогательной памяти и не мо-

жет выполняться до тех пор, пока оно не будет загружено.

В основной памяти в любой момент времени

чаще всего находится только подмножество стра-

ниц адресного пространства (называемое его ра-

бочим набором), тогда как свопинг выполняет пе-

ремещение всего адресного пространства. Сво-

пинг является одним из методов, используемых

z/OS для балансировки системной нагрузки и обеспечения наличия достаточного

запаса доступных фреймов основной памяти.

Свопинг выполняется менеджером управления ресурсами (System Resource Man-

ager, SRM) в ответ на рекомендации, получаемые от менеджера управления рабочей

нагрузкой (Workload Manager, WLM). Подробное описание WLM см. в разделе 3.5,

«Что такое управление рабочей нагрузкой?».

347 Что такое защита памяти?

До сих пор мы рассматривали виртуальную память только в контексте одного поль-

зователя или программы. В действительности, конечно же, за использование системы

соревнуется много программ и пользователей. z/OS применяет следующие методы

обеспечения целостности работы каждого пользователя:

Свопинг–

процесспередачивсего

адресногопространства

междуосновнойи

вспомогательнойпамятью

 Общиесведенияоz/OS 91

• личное адресное пространство для каждого пользователя;

• защита страниц;

• защита зоны начальных адресов;

• несколько ключей защиты памяти, описываемых в этом разделе.

Как используются ключи защиты памяти

В z/OS защита информации в основной памяти от несанкционированного использо-

вания осуществляется посредством нескольких ключей защиты памяти. С каждым

4-килобайтовым фреймом основной памяти связано контрольное поле, называемое

ключом.

При создании запроса на изменение содержимого участка в основной памяти

выполняется сравнение ключа, связанного с запросом, с ключом защиты памяти. Ес-

ли ключи совпадают или если программа выполняется с ключом 0, запрос выполня-

ется. Если ключ, связанный с запросом, не соответствует ключу памяти, система от-

клоняет запрос и выдает прерывание программного исключения.

При создании запроса на чтение (или извлечение) содержимого участка основ-

ной памяти запрос автоматически выполняется, если только не включен бит защиты

от извлечения, указывающий, что фрейм защищен от извлечения. При создании за-

проса на доступ к содержимому участка основной памяти с защитой от извлечения

происходит сравнение ключа в памяти с ключом, связанным с запросом. Если ключи

совпадают или если инициатор запроса имеет ключ 0, запрос выполняется. Если

ключи не совпадают и инициатор запроса имеет ключ, отличный от нуля, система

отклоняет запрос и выдает прерывание программного исключения.

Как назначаются ключи защиты памяти

z/OS использует 16 ключей защиты памяти. Каждый конкретный ключ назначается в

соответствии с типом выполняемой работы. Как показано на рис. 3.5, ключ хранится

в битах 8–11 слова состояния программы (program status word, PSW). PSW назначает-

ся каждому заданию в системе.

Контрольная

информация

Адрес инструкции

биты 0–32

ключ

бит 15 =`1`b

Ключ PSW: 0–15

биты 8–11

Problem state

Рис 35 Расположениеключазащитыпамяти

Ключи защиты памяти 0–7 используются в z/OS базовой управляющей програм-

мой (base control program, BCP) и различными подсистемами и программными про-

дуктами промежуточного уровня. Ключ защиты памяти 0 является главным ключом

(master key). Его использование ограничено теми частями BCP, которые требуют