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

Подождите немного. Документ загружается.

92 Глава3

почти неограниченных возможностей записи и извлечения. Почти всегда, когда с за-

просом на доступ или изменение содержимого участка основной памяти связан ключ

защиты памяти 0, это означает, что запрос будет выполнен.

Ключи защиты памяти 8–15 назначаются пользователям. Так как все пользователи

изолированы в личных адресных пространствах, большинство пользователей, чьи

программы выполняются в виртуальном регионе, могут использовать одинаковый

ключ защиты памяти. Эти пользователи обозначаются V=V (virtual = virtual) и им на-

значается ключ 8. Однако некоторые пользователи должны работать в регионе ос-

новной памяти. Эти пользователи обозначаются V=R (virtual = real) и требуют отде-

льных ключей защиты памяти, так как их адреса не защищены процессом DAT, подде-

рживающим разделение между адресными пространствами. Без использования отде-

льных ключей пользователи V=R могут обращаться к коду и данным друг друга. Эти

ключи находятся в диапазоне от 9 до 15.

348 Роль менеджеров памяти

Управление фреймами основной памяти и слотами вспомогательной памяти, а также

поддерживаемыми ими страницами виртуальной памяти осуществляют различные

компоненты z/OS. Эти компоненты называются менеджером реальной памяти (а не

менеджером основной памяти), менеджером вспомогательной памяти и менеджером

виртуальной памяти. Ниже мы вкратце рассмотрим роли каждого из них.

Менеджер реальной памяти

Менеджер реальной памяти (real storage manager, RSM™) отслеживает содержимое

основной памяти. Он управляет операциями страничного обмена, описанными вы-

ше, в частности подкачкой, вытеснением и изъятием страниц, и помогает осущест-

влять загрузку и выгрузку адресных пространств. RSM также выполняет фиксацию

страницы (page fixing) – пометку страниц как недоступных для изъятия.

Менеджер вспомогательной памяти

Менеджер вспомогательной памяти (auxiliary storage manager, ASM) использует стра-

ничные наборы данных системы для отслеживания слотов вспомогательной памяти,

в частности:

• слотов для страниц виртуальной памяти, не находящихся во фреймах основ-

ной памяти;

• слотов для страниц, не занимающих фреймы, но которые в связи с отсутстви-

ем изменений в содержимом фреймов все еще действительны.

Когда требуется выполнить подкачку или вытеснение страницы, ASM совместно

с RSM обнаруживают подходящие фреймы основной памяти и слоты вспомогатель

ной памяти.

Менеджер виртуальной памяти

Менеджер виртуальной памяти (virtual storage manager, VSM™) обрабатывает запросы

на получение и освобождение виртуальной памяти. Кроме того, VSM управляет выде-

 Общиесведенияоz/OS 93

лением памяти для любой программы, которая должна выполняться в основной, а не

в виртуальной памяти. Основная память выделяется для кода и данных при их загруз-

ке в виртуальную память. При их выполнении программы могут запросить больший

объем памяти, используя средства системного сервиса, например макроса GETMAIN.

Для освобождения памяти программы используют макрос FREEMAIN.

VSM отслеживает схему отображения виртуальной памяти для каждого адресного

пространства. При этом адресное пространство представляется в виде набора из 256

подпулов (subpools), которые являются логически связанными областями виртуаль-

ной памяти, обозначаемыми числами от 0 до 255. Логическая связанность означает,

что области памяти в подпуле имеют общие свойства, в частности:

• ключ защиты памяти;

• защиту от извлечения, поддержку страничного обмена и поддержку свопинга;

• местонахождение в виртуальной памяти (до или после 16 Мб);

• возможность совместного использования несколькими задачами.

Некоторые подпулы (обозначаемые числами от 128 до 255) предопределены для

использования системными программами. Подпул 252, например, предназначен для

программ из авторизованных библиотек. Другие подпулы (обозначаемые числами от

0 до 127) определяются пользовательскими программами.

349 Краткая история виртуальной памяти и 64-разрядной

адресуемости

В 1970 году IBM выпустила System/370 – первую свою архитектуру, использующую

виртуальную память и адресные пространства. С тех пор операционная система пре-

терпела множество изменений. Одной из основных областей развития и изменения

является адресуемость.

Программа, выполняемая в адресном пространстве, может обращаться ко всем

участкам памяти, связанным с этим адресным пространством. В этой книге способ-

ность программы обращаться ко всем участкам памяти, связанным с адресным про-

странством, называется адресуемостью (addressability).

В System/370 адреса памяти имели длину 24

разряда, что означало, что максимальным доступ-

ным адресом был адрес 16 777 215 байт (2

–

1 байт)

. Использование 24-разрядной адресуемос-

ти позволяло MVS/370 (операционной системе то-

го времени) выделять каждому пользователю ад-

ресное пространство размером 16 Мб. Несколько лет спустя, когда в MVS/370 было

добавлено больше функций и требовалось обрабатывать более сложные приложения,

доступ даже к 16 Мб виртуальной памяти стал недостаточным для удовлетворения

потребностей пользователей.

С выходом архитектуры System/370-XA в 1983 IBM расширила адресуемость ар-

хитектуры до 31 разряда. С 31-разрядной адресацией операционная система (те-

Адресация начинается с 0, поэтому последний адрес всегда на единицу меньше общего числа адресуе-

мых байтов.

Адресуемость–

способностьпрограммы

обращатьсяковсемучасткам

памяти,связаннымс

адреснымпространством

94 Глава3

перь называвшаяся MVS Extended Architecture или MVS/XA™) увеличила адресуе-

мость виртуальной памяти с 16 Мб до 2 Гб. Другими словами, MVS/XA обеспечивала

адресное пространство для пользователей, которое было в 128 раз больше, чем ад-

ресное пространство, обеспечиваемое в MVS/370; 16-мегабайтовый адрес стал

точкой деления между двумя архитектурами, которую часто называют «линией»

(line) (рис. 3.6).

«Полоса»

2 ГБ

31-разрядная

адресация

(MVS/XA)

16 МБ

«Линия»

24-разрядная

адресация

(MVS)

Рис 36 31-разряднаяадресуемостьпозволяетиспользовать2-гигабайтовыеадресныепространства

вMVS/XA

Новая архитектура не требовала, чтобы клиенты изменяли существующие прило-

жения. Для обеспечения совместимости с существующими программами MVS/XA

поддерживала программы, изначально разработанные для 24-разрядной адресации

в MVS/370, в то же время позволяя разработчикам приложений создавать новые про

граммы, использующие технологию 31-разрядной адресации.

Для обеспечения совместимости между разными схемами адресации MVS/XA не

использовал старший разряд (high-order bit) адреса (бит 0) при адресации. Вместо

этого MVS/XA зарезервировал этот разряд для обозначения количества разрядов, ис-

пользуемых для разрешения адреса: 31-разрядная адресация (бит 0 включен) или

24-разрядная адресация (бит 0 выключен).

С выходом мэйнфреймов zSeries в 2000 году IBM еще больше расширила адресуе-

мость архитектуры до 64 разрядов. При 64-разрядной адресации потенциальный

размер адресного пространства z/OS расширяется настолько, что нужны новые тер-

мины для его описания. Каждое адресное пространство, называемое 64-разрядным

адресным пространством, имеет размер 16 Эб; экзабайт составляет немного больше

1 000 000 000 Гб. Новое адресное пространство имеет 2

адресов. Это в 8 миллиардов

раз больше размера предыдущего 2-гигабайтового адресного пространства и состав-

ляет 18 446 744 073 709 600 000 байт (рис. 3.7).

Мы говорим, что потенциальный размер составляет 16 Эб, потому что по умолча-

нию z/OS продолжает создавать адресные пространства размером 2 Гб. Адресное

пространство превышает этот предел, только если выполняющаяся в нем программа

выделяет виртуальную память размером больше 2 Гб. В этом случае z/OS увеличивает

размер памяти, доступной для пользователя, с 2 Гб до 16 Эб.

 Общиесведенияоz/OS 95

16 ЭБ

64-разрядная

адресация

(z/OS)

«Полоса»

2 ГБ

31-разрядная

адресация

(MVS/XA)

16 MB

«Линия»

24-разрядная

адресация

(MVS)

Рис 37 64-разряднаяадресуемостьпозволяетобеспечить16Эбадресуемойпамяти

Программа, выполняющаяся в z/OS на мэйнфрейме zSeries, может использовать

24-, 31- или 64-разрядную адресацию (и при необходимости может переключаться

между ними). Для адресации больших объемов виртуальной памяти, доступных при

использовании 64-разрядной архитектуры, программа использует 64-разрядные

инструкции. Несмотря на то что архитектура поддерживает уникальные 64-разряд-

ные инструкции, программа при необходимости может использовать как 31-разряд-

ные, так и 64-разрядные инструкции.

В целях совместимости, структура областей ниже 2 Гб адресного пространства

осталась такой же, что обеспечивает среду, которая может поддерживать и 24-разряд-

ную, и 31-разрядную адресацию. Область, отделяющая область виртуальной памяти,

расположенную ниже 2-гигабайтового адреса, от приватной области пользователя,

называется «полосой» (bar), как показано на рис. 3.8. Приватная область пользователя

выделяется для кода приложений, а не для кода операционной системы.

0–2

Схематакаяже(смрис38)

–2

Областьот2до4Гбназывается«полосой»Все,чтонаходитсяниже«полосы»,адресуется

сиспользованием31-разрядногоадресаВсе,чтонаходитсявыше«полосы»,требует



64-разряднойадресации

–2

Неразделяемаяобласть(приватнаяобластьпользователя),начинаетсяс4Гб

ипродолжаетсядо2



–2

Разделяемаяобласть(длясовместногоиспользованияпамяти)начинаетсяс2



ипродолжаетсядо2

иливыше,еслитребуется

96 Глава3

–2

Верхняянеразделяемаяобласть(приватнаяобластьпользователя),начинаетсяс2

или

там,гдезаканчиваетсяразделяемаяобласть,ипродолжаетсядо2



16 мегабайт

«Линия»

«Полоса»

2 гигабайта

2 терабайта

512 терабайт

16 экзабайт

Приватная область

пользователя

Общая область

Расширенная

приватная область

пользователя

Разделяемая

область

Расширенная

приватная область

пользователя

Рис 38 Схемахранениядля64-разрядногоадресногопространства

В 16-экзабайтовом адресном пространстве с 64-разрядной адресацией виртуаль-

ной памяти существует три дополнительных уровня таблиц трансляции, называемых

таблицами регионов: третья таблица регионов (region third table, R3T), вторая табли-

ца регионов (region second table, R2T) и первая таблица регионов (region first table,

R1T). Таблицы регионов имеют длину 16 Кб, и каждая таблица содержит 2 048 запи-

сей. Каждый регион имеет размер 2 Гб.

Форматы таблиц сегментов и таблиц страниц остались такими же, как и для вир-

туальных адресов ниже «полосы». При трансляции 64-разрядного виртуального адре-

са, после того как система определила соответствующую запись 2-гигабайтового ре-

гиона, указывающую на таблицу сегментов, процесс идентичен описанному выше.

3410 Что означает выражение «память ниже "линии"»?

Программы и данные z/OS находятся в виртуальной памяти, которая при необходи-

мости отображается в основной памяти. Большинство программ и данных не зависят

от своих реальных адресов. Однако некоторые программы z/OS зависят от реальных

 Общиесведенияоz/OS 97

адресов, и некоторые требуют, чтобы реальные адреса были меньше 16 Мб. Програм-

мисты в z/OS называют эту часть памяти памятью, находящейся «ниже 16-мегабайто-

вой "линии"».

В z/OS программа включает такой атрибут, как режим размещения (residence

mode, RMODE), который определяет, должна ли программа находиться (загружаться)

в область памяти ниже 16 Мб. Программа с RMODE(24) должна находиться в области

ниже 16 Мб, тогда как программа с RMODE(31) может находиться где угодно в вирту-

альной памяти.

К программам, требующим размещения ниже «линии», относятся все программы,

выделяющие блок управления данными (data control block, DCB). Эти программы тем

не менее часто могут иметь 31-разрядный режим размещения RMODE(31); так как

они могут выполняться в 31-разрядном режиме адресации AMODE(31). z/OS резерви-

рует максимально возможный объем в области основной памяти ниже 16 Мб для та-

ких программ и главным образом обеспечивает реализацию их зависимости от ос-

новной памяти без внесения каких-либо изменений.

Тысячи программ, используемых в настоящее время, имеют режим адресации

AMODE(24), т. е. и режим размещения RMODE(24). Это относится ко всем программам,

написанным до выхода MVS/XA и впоследствии не изменявшихся. В настоящее время

сравнительно немного причин для создания новых программ в режиме AMODE(24),

так что новые приложения вряд ли будут использовать режим RMODE(24).

3411 Что в адресном пространстве?

По-другому адресное пространство можно представить как карту виртуальной памя-

ти, доступной для кода и данных. Адресное пространство дает каждому программисту

доступ ко всем адресам, доступным через компьютерную архитектуру (выше мы оп-

ределили это как адресуемость).

z/OS выделяет каждому пользователю уникальное адресное пространство и под-

держивает разделение между программами и данными, относящимися к каждому ад-

ресному пространству. Однако так как адресное пространство осуществляет отобра-

жение всех доступных адресов, оно включает системный код и данные, равно как

и пользовательский код и данные. Таким образом, не все отображаемые адреса до

ступны для пользовательского кода и данных.

Понимание разделения областей памяти в адресном пространстве легче предста-

вить с помощью диаграммы. Диаграмма, представленная на рис. 3.9, является более

подробной, чем это необходимо на данном этапе курса, однако она представлена для

того, чтобы показать, что адресное пространство поддерживает разделение между

программами и данными, принадлежащими пользователю, и программами и данны-

ми, принадлежащими к операционной системе.

На рис. 3.9 представлены основные области памяти в каждом адресном пространс-

тве. Рассмотрим эти области.

• Вся память выше 2 Гб.

Эта область называется

верхней виртуальной памятью (high virtual storage),

и она адресуется только программами, работающими в 64-разрядном режиме.

98 Глава3

Она разделена верхней виртуальной разделяемой областью, которая представля-

ет собой область размера, определяемого инсталляцией, которую можно ис-

пользовать для создания связей между адресными пространствами через полу-

ченные области в пределах этой области.

PSA

Общая

область

Приватная

область

Регион пользователя

Системный регион

LSQA/SWA/228/230

Общая

область

Область ядра (Nucleus)

PLPA/FLPA/MLPA

8 КБ

24 КБ

16 МБ

Расширенная область ядра (Nucleus)

Расширенная область

PLPA/FLPA/MLPA

Расширенная область CSA

Расширенный регион пользователя

Расширенная область

LSQA/SWA/229/230

Расширенная область SQA

Зарезервированная область

Верхний регион пользователя

Стандартная адресация

разделяемой памяти

Нижний регион пользователя

2 ГБ

4 ГБ

2 ТБ

512 ТБ

16 ЭБ

Расширенная

общая область

Расширенная

приватная область

Нижняя приватная

область пользователя

Разделяемая

область

Приватная

область

CSA

Рис 39 Областипамятивадресномпространстве

• Расширенные области выше 16 Мб.

Диапазон областей, находящихся выше «линии» (16 Мб), но ниже «полосы» (2 Гб),

является своего рода «зеркальным отображением» общей области ниже 16 Мб.

Они имеют такие же атрибуты, что и соответствующие им области ниже «линии»,

но из-за дополнительной памяти выше «линии» их размеры гораздо больше.

• Область ядра (Nucleus).

Представляет собой область общей памяти с ключом 0, содержащую управля-

ющие программы операционной системы.

• SQA.

Эта область содержит данные системного уровня (с ключом 0), используемые

несколькими адресными пространствами. Область SQA является фиксирован-

ной (неперемещаемой); это означает, что она находится в основной памяти до

 Общиесведенияоz/OS 99

ее освобождения запрашивающей программой. Размер области SQA предопре-

делен инсталляцией и не может изменяться, пока операционная система ак-

тивна. Кроме того, она имеет уникальную способность к переполнению с вы-

ходом в область CSA, если существует неиспользуемая область CSA, допускаю-

щая преобразование в SQA.

• PLPA/FLPA/MLPA.

Эта область содержит области загрузки модулей (перемещаемая область загрузки

модулей, фиксированная область загрузки модулей и изменяемая область загруз-

ки модулей), содержащие программы системного уровня, часто выполняемые

несколькими адресными пространствами. По этой причине области загрузки

модулей находятся в общей области, адресуемой всеми адресными пространс-

твами, что устраняет необходимость наличия копий программы в каждом адрес-

ном пространстве. Эта область памяти находится ниже «линии» и является адре-

суемой программами, работающими в 24-разрядном режиме.

• CSA.

Эта часть общей области памяти (адресуемая всеми адресными пространства-

ми) доступна для всех приложений. CSA часто применяется для хранения дан-

ных, часто используемых несколькими адресными пространствами. Размер

области CSA устанавливается во время инициализации системы (IPL) и не мо-

жет изменяться, пока операционная система активна.

• LSQA/SWA/подпул 228/подпул 230.

Этот набор подпулов, каждый из которых имеет определенные атрибуты, ис-

пользуется главным образом системными функциями, когда функции требуют

изоляции памяти на уровне адресного пространства. Находясь ниже «линии»,

эти области адресуются программами, работающими в 24-разрядном режиме.

• Регион пользователя (User Region).

Эта область доступна для любой программы, выполняющейся в адресном про-

странстве пользователя, включая основные программы пользователя. Она рас-

положена ниже «линии» и поэтому допускает адресацию программами, выпол-

няющимися в 24-разрядном режиме.

• Системный регион (System Region).

Эта небольшая область (обычно содержащая только четыре страницы) заре-

зервирована для использования задачей управления регионами каждого ад-

ресного пространства.

• Область префиксации (Prefixed Save Area, PSA).

Эта область также называется «нижним ядром» («Low Core»). PSA представляет

собой общую область виртуальной памяти с адресами от 0 до 8191 в каждом

адресном пространстве. Используется по одному PSA для каждого процессора,

установленного в системе. PSA сопоставляет архитектурно фиксированные

участки памяти аппаратного и программного обеспечения с процессором. Так

как каждому процессору соответствует отдельная область PSA, с точки зрения

программы, выполняющейся в z/OS, содержимое PSA может измениться в лю-

бой момент, как только программа будет передана другому процессору. Эта

возможность является уникальной для области PSA и осуществляется посредс-

твом особого метода управления DAT, называемого префиксацией (prefixing).

100 Глава3

По причине огромного диапазона адресуемой памяти в адресном пространстве

схема на рис. 3.9 представлена не в масштабе.

Каждое адресное пространство в системе представлено блоком управления адрес-

ным пространством (address space control block, ASCB). Для того чтобы представить

адресное пространство, система создает ASCB в общей памяти (области системных

очередей – SQA), что делает его доступным для других адресных пространств.

3412 Системные адресные пространства и главный планировщик

Многие системные функции z/OS выполняются в собственных адресных пространс-

твах. Подсистема главного планировщика, например, выполняется в адресном про-

странстве *MASTER* и используется для установления связи между z/OS и его адрес-

ными пространствами.

При запуске z/OS главные подпрограммы инициализации выполняют инициали-

зацию системных служб, таких, как системный журнал и задача связи, и запускают

адресное пространство главного планировщика. Затем главный планировщик может

запустить подсистему управления заданиями (JES2 или JES3). JES является первичной

подсистемой управления заданиями. На многих рабочих системах JES не запускается

сразу же; вместо этого пакет автоматизации запускает все задачи в контролируемой

последовательности. Затем происходит запуск других подсистем.

Подсистемы определяются в специальном файле системных параметров, называ-

емом библиотекой параметров (parameter library, PARMLIB). Эти подсистемы являются

вторичыми подсистемами (secondary subsystems).

Каждое создаваемое адресное пространство имеет связанный с ним номер, назы-

ваемый идентификатором адресного пространства (address space ID, ASID). Так как

главный планировщик является первым адресным пространством, созданным в сис-

теме, он становится адресным пространством под номером 1 (ASID=1). Другие сис-

темные адресные пространства запускаются позже в процессе инициализации z/OS.

На данном этапе вам требуется понять лишь то, что z/OS и связанным с ней под-

системам нужны собственные адресные пространства для обеспечения функциони-

рования операционной системы. Ниже приведены описания каждого типа адресного

пространства.

• Системные адресные пространства.

Запуск системных адресных пространств z/OS происходит после инициализа-

ции главного планировщика. Эти адресные пространства выполняют функции

для всех других типов адресных пространств, запускаемых в z/OS.

• Адресные пространства подсистем.

z/OS требует использования различных подсистем, таких, как первичная под-

система управления заданиями (job entry subsystem, JES; описание JES см. в гла-

ве 7, «Пакетная обработка и JES»). Кроме того, используются адресные про-

странства для программных продуктов промежуточного уровня, таких, как

DB2, CICS и IMS.

Помимо системных адресных пространств, обычно используется много адресных

пространств для пользователей и отдельно выполняющихся программ, например:

 Общиесведенияоz/OS 101

• Адресные пространства TSO/E создаются для каждого пользователя, подключа-

ющегося к z/OS (описание см. в главе 4, «TSO/E, ISPF и UNIX: интерактивные

средства z/OS»).

• Адресное пространство создается для каждого пакетного задания, выполняю-

щегося в z/OS. Адресные пространства пакетных заданий запускаются подсис-

темой JES.

35 Что такое управление рабочей нагрузкой?

В z/OS за управление системными ресурсами отвечает компонент управления рабо-

чей нагрузкой (WLM). WLM управляет обработкой рабочей нагрузки в системе в со-

ответствии с бизнес-целями компании, такими, как время реагирования. Кроме того,

WLM управляет использованием системных ресурсов, в частности процессорами

и памятью, для достижения этих целей.

351 Чем занимается WLM?

Попросту говоря, WLM имеет три цели:

• Достижение бизнес-целей, определяемых инсталляцией, путем автоматичес-

кого выделения ресурсов сисплекса рабочим задачам в зависимости от их

важности и целей. Эта цель называется достижением цели (goal achievement).

• Достижение оптимального использования системных ресурсов с точки зрения

системы. Эта цель называется пропускной способностью (throughput).

• Достижение оптимального использования системных ресурсов с точки зрения

отдельного адресного пространства. Эта цель называется временем реагирова-

ния (response time) или оборотным временем (turnaround time).

Достижение цели является первой и самой

важной задачей WLM. Затем идет оптимизация

пропускной способности и минимизация оборот-

ного времени адресных пространств. Часто пос-

ледние две цели являются взаимно противореча-

щими. Оптимизация пропускной способности

предполагает обеспечение полной занятости ресурсов. С другой стороны, оптимиза-

ция времени реагирования и оборотного времени требует, чтобы ресурсы были до-

ступны в случае необходимости. Достижение цели для важного адресного пространс-

тва может вызвать ухудшение показателя оборотного времени для менее важного ад-

ресного пространства. Таким образом, WLM должен принимать решения, являющиеся

компромиссом между противоречащими целями.

Чтобы сбалансировать пропускную способность с показателями времени реаги-

рования и оборотного времени, WLM выполняет следующие операции:

• мониторинг использования ресурсов различными адресными пространс-

твами;

• мониторинг использования ресурсов в масштабе системы для определения

полноты их использования;

Управлениерабочейнагрузкой–

компонентz/OS,управляю-

щийсистемнымиресурсами

всоответствиисзаявленными

бизнес-целями