Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Виртуальная память разбита на страницы. В системах Win32 с процессорами Pentium размер одной страницы составляет 4 Кб. Следовательно, Win32 разбивает блок памяти объемом 4 Гб на страницы по 4 Кб. При этом в каждой странице содержится небольшой объем служебной информации о самой странице. (память в операционной системе Linux работает примерно таким же образом.) Здесь содержатся данные о том, занята страница или нет. Занятая страница - это страница, в которой приложение хранит данные, будь то код или реальные данные. Если страница не занята, ее нет вообще. Любая попытка сослаться на нее вызовет ошибку доступа.

Далее, в служебную информацию входит ссылка на таблицу перевода страниц. В типовой системе с 256 Мб памяти (через несколько лет эта фраза, наверное, будет вызывать смех) доступно только 65536 физических страниц. Таблица трансляции страниц связывает отдельную виртуальную страницу памяти приложения с реальной страницей, доступной в ОЗУ. Таким образом, при попытке доступа приложения к определенному адресу операционная система выполняет трансляцию виртуального адреса в физический адрес ОЗУ.

Если в системе Win32 запущено несколько приложений, неизбежно будут возникать моменты, когда все физические страницы ОЗУ заняты, а одному из приложений требуется занять новую страницу. Но это невозможно, поскольку свободных страниц нет. В таком случае операционная система записывает физическую страницу на жесткий диск (этот процесс называется подкачкой или свопингом (swapping)) и отмечает в таблице трансляции, что страница была записана на диск, после чего физическая страница помечается как занятая приложением.

Все это хорошо до тех пор, пока приложение, которому принадлежит страница на диске, не пытается обратиться к ней. Процессор определяет, что физическая страница уже недоступна и возникает ошибка отсутствия страницы (page fault). Операционная система принимает управление на себя, записывает другую страницу на диск, освобождает физическую страницу, записывает на освободившееся место запрашиваемую страницу и продолжает выполнение приложения. Само приложение ничего не знает о происходящем внутри операционной системы процессе. Оно, например, считывает первый байт страницы памяти, и именно это (в конечном счете) происходит.

Все описанное выше в 32-разрядной операционной системе происходит постоянно. Физические страницы записываются на диск и считываются с диска. При этом изменяются таблицы трансляции страниц. В большинстве случаев простой пользователь ничего не замечает, за исключением одной ситуация. И эта ситуация называется пробуксовка (thrashing).

Пробуксовка

Пробуксовка может негативно сказаться на вашем приложении, превращая его из высокоэффективной оптимизированной программы в медленную и ленивую. Предположим, что существует приложение, которое требует большого объема памяти, скажем, например, половину всей имеющейся в компьютере физической памяти. Оно создает большие массивы крупных блоков, выделяя память из кучи. Такое выделение приведет к тому, что будут заниматься новые страницы, а старые, скорее всего, будут записываться на диск. Затем приложение считывает эти большие блоки, начиная с начала массива и в направлении его конца. Операционная система при необходимости будет считывать запрашиваемые страницы из ОЗУ. При этом никаких проблем возникать не будет.

А теперь представим себе, что приложение считывает блоки в произвольном порядке. Скажем, сначала оно считывает данные из блока 56, затем из блоков 123, 12, 234 и т.д. В таком случае вероятность возникновения ошибки отсутствия страницы увеличивается. При этом все большее и большее количество страниц будет записываться на диск и считываться с диска. Индикатор работы диска будет гореть почти постоянно, а скорость работы приложения упадет. Это и есть пробуксовка - непрерывный обмен страницами между диском и памятью, вызванный запросами приложения страниц в произвольном порядке.

В общем случае лекарства от пробуксовки нет. Большую часть времени блоки памяти выделяются из программы динамического распределения памяти Delphi. Кроме того, программист не может управлять конкретным расположением блоков памяти. Может случиться, например, что связанные блоки данных хранятся в разных страницах. (Здесь под словом "связанные" понимается блоки памяти, данные из которых, вероятно, будут считываться одновременно, поскольку сами данные связаны.) Одним из методов снижения риска возникновения пробуксовки является использование отдельных куч для выделения памяти для структур и данных разных приложений. Но алгоритм такого выделения в настоящей книге не приводится.

Рассмотрим пример. Предположим, что мы выделили память под элементы объекта TList. Каждый из элементов содержит, по крайней мере, одну строку, память для которой выделяется из кучи (например, мы пользуемся 32-разрядным Delphi и элемент использует длинные строки). А теперь представим себе, что приложение уже проработало некоторое время, и элементы в объекте TList неоднократно добавлялись и удалялись. Вполне возможно, что экземпляр TList, его элементы и строки элементов распределены по разным страницам памяти. Теперь при последовательном считывании элементов объекта TList от начала до конца приложение будет обращаться ко многим страницам, что приведет к активному обмену страницами между диском и памятью. Если количество элементов достаточно мало, все страницы, относящиеся к данному приложению, могут находиться в памяти. Но если в объекте TList элементов насчитывается несколько миллионов, при их считывании приложение может породить состояние пробуксовки.

Локальность ссылок

Самое время обсудить еще одну концепцию - локальность ссылок. Этот принцип представляет собой метод представления приложений, который помогает свести вероятность возникновения пробуксовки к минимуму. Это понятие предполагает, что связанные данные должны находиться в виртуальной памяти как можно ближе друг к другу. Если принцип локальности ссылок соблюдается, при считывании части данных другую их часть можно будет найти на соседних страницах памяти.

Например, массив записей имеет высокий уровень локальности ссылок. Так, элемент с индексом 1 в памяти находится рядом с элементом с индексом 2 и т.д. Если приложение последовательно считывает все записи массива, локальность ссылок будет очень высокой. Обмен страницами между диском и памятью будет минимальным. Экземпляр объекта TList, содержащий указатели на тот же тип записей, несмотря на то, что это тоже массив, фактически содержащий те же данные, будет иметь низкий уровень локальности ссылок. Как было показано ранее, каждый элемент такого массива может находиться на отдельной странице. Таким образом, последовательное считывание элементов вызовет обмен данными между диском и памятью. Связанные списки (см. главу 3) также обладают низким уровнем локальности ссылок.

Существуют специальные методы повышения уровня локальности ссылок для различных структур данных и алгоритмов, и некоторые из них будут рассмотрены в настоящей книге. К нашему сожалению, диспетчер динамического распределения памяти Delphi является слишком общим. Программист не может вынудить Delphi выделить память под серию элементов из одной страницы. Еще хуже тот факт, что все объекты представляют собой экземпляры, память для которых выделяется из кучи. Возможность выделения памяти для отдельных объектов из определенных страниц позволила бы избежать многих неприятностей. (В действительности это возможно за счет подмены метода класса Newlnstance, но подмену приходится делать для всех классов, для которых нужна такая возможность.)

До сих пор мы говорили о локальности ссылок в смысле расстояния ("один объект находится в памяти рядом с другим объектом"), но локальность ссылок можно трактовать и по отношению ко времени. Это означает, что если элемент недавно использовался, он скоро будет использоваться снова, или, скажем, элемент X всегда используется вместе с элементом Y. Воплощением локальности ссылок во времени является кэш-память. Кэш-память (cache) представляет собой небольшой блок памяти для некоторого процесса, содержащий элементы, которые использовались недавно. При каждом использовании элемента он копируется в кэш-память. Если кэш заполнен, при удалении элементов применяется алгоритм с удалением наиболее давно использованных элементов (least recently used, LRU), по которому элемент, который давно не использовался, замещается недавно использованным элементом. Таким образом, кэш-память содержит несколько близких в пространственном смысле элементов, которые, помимо всего прочего, близки и в смысле времени их использования.

Обычно кэш-память применяется для элементов, которые хранятся на медленных устройствах. В качестве классического примера можно привести дисковый кэш. Тем не менее, теоретически кэш виртуальной памяти мог бы работать точно таким же образом, особенно с приложениями, которые требуют большого объема памяти и используются на вычислительных машинах с небольшими объемами ОЗУ.