Bilgisayar Mühendisleri Portalı

SANAL BELLEK - Virtual Memory
Çalışabilmesi için var olan bellek kapasitesinden fazlasını isteyen programların çalışabilir kılınması eski bir bilgisayar problemidir. Buna üretilen genel çözüm katman (overlay) yaklaşımı idi. Katmanlar programın parçalara bölünmüş hali idi. Sıfırıncı katman ilk olarak çalışmalı, işi bittikten sonra başka bir katmanı çağırmalıydı. Bunun yanında karmaşık yapılı, bellekte çoklu katmanlar çalıştırılmasını sağlayan yaklaşımlar da vardı. Katmanlar diskte bulunmalı, işletim sistemi tarafından belleğe yüklenmesi veya bellekten kaldırılması yapılmalı idi.

Bu yaklaşımdaki temel sorun, programın parçalara bölünme işinin programcı tarafından yapılmak zorunda olması idi. Bu işin büyük bir program için yapılması da oldukça zaman kaybına sebep olacağı açık idi.

Sonuçta sanal bellek kavramı ortaya çıktı. Temel mantığı program kodunun, programda kullanılan değişkenler, veri yapıları, vs.nin (data) ve de programın yığın alanının (stack) var olan bellek alanına sığmamasına dayanır.Bu durumda işletim sistemi programın kullanılan parçalarından kullanılanları bellekte, kalanını ise diskte tutar.

Kısaca söylemek gerekirse, sanal bellek bir bilgisayar programının var olan gerçek fiziksel bellekten daha fazla bellek varmış gibi davranmasını sağlayan sistemdir.

SAYFALAMA VE SAYFA HATASI

Pekçok bilgisayar sistemi sanal bellek adı verilen bir teknik kullanmaktadır. Her bilgisayarda kullanılabilecek bir adres uzayı vardır. Adres uzayı ile işlemcinin, bir sürecin veya bellek ve işlemci dışındaki bir bilgisayar donanımının erişebileceği adress genişliği/sınırı kastedilmektedir. Aşağıdaki program kodunu inceleyelim.

MOVE x, 1000

Mimari tasarımın, bu kod parçasının 1000 numaralı adresteki verinin, X ile gösterilen yazmaca veya değişkene atanmasını sağlayacak şekilde yapıldığını düşünelim. Programda üretilen/kullanılan adresler sanal bellek sisteminin kullanıldığı bir tasarımda gerçek fiziksel adresler değildir. Programda üretilen adreslere sanal adres denir ve bu adresler sanal adres uzayını oluşturur. Sanal adresler yazılımsal veya donanımsal olarak gerçek fiziksel adreslere çevrilmektedir. Sanal adres uzayı eşit büyüklükteki parçalara bölünür. Bunların herbirine sayfa (page) denir. Bu sayfalara karşılık gelen fiziksel bellek alanlarına ise sayfa çerçevesi denir. Eşit büyüklükte ve adreslenebilirlikteki kolaylığı nedeniyle 4K seçilen sayfa ve sayfa çerçevelerinden oluşan bir gösterim aşağıdaki gibi olabilir.

Görüldüğü gibi sanal bellek üzerindeki bazı alanlar gerçek fiziksel bellek üzerindeki alanlara karşılık gelmektedir. Bire-bir şekilde yapılan iki yapı arasındaki bu eşlemeye haritalama (mapping) denir. Yazının bundan sonraki kısmında bellekteki sayfa ile, sanal bellek üzerinde fiziksel belleğin bir alanını referans eden sayfa ve bunun referans ettiği alan içindeki bilgiler kastedilecektir.

SAYFA HATASI
Yukarıdaki şekilde sayfaların bazılarının fiziksel belleğe referans etmediği görülmektedir. (X ile işaretli alanlar) Programın çalışması sırasında program kodu, erişim yetkisi olmayan bir alana erişmeye çalışabilir veya sanal bellek üzerinde fiziksel belleğe henüz referans edilmemiş bir alana erişmeye çalışabilir. Sayfa Hatası olarak adlandırılan bu durumda, işletim sisteminin bellekten uygun bir sayfayı boşaltması ve istekte bulunan programa bunu tahsis etmesi gerekmektedir. Bellekte uygun bir sayfa ayarlandıktan sonra, sayfa hatasına sebep olan kod tekrar çalıştırılır. Gözden kaçırılmaması gereken nokta, tahsis edilecek bellek gözündeki veriler değiştiyse, önce bunların takas alanına aktarılarak saklanması gerekliliğidir. Değişmediyse, ayarlanan sayfa üzerine veriler yazılacaktır.

Yukarıda bahsi geçen, sayfa hatası durumunda bellekteki uygun bir sayfanın seçimi ele alınması gereken bir noktadır. Eğer sıklıkla kullanılan bir sayfa seçilirse, takas alanından bu sayfanın sık çağrılmasından dolayı performans kaybı olacaktır. Şimdi sayfa hatası durumunda seçilecek sayfayı belirlemeye getirilen yaklaşımlardan biri olan FIFO (first in- first out)'yu inceleyelim.

FIFO (First In - First Out)
Bu yaklaşımda işletim sistemi bellekte bulunan sayfalar için bağlı bir liste yapısı oluşturur. Listedeki yapıların bellekteki sayfaları işaret eden yapılar olduğunu düşünebiliriz. Bu listenin baş (head) kısmı en eski (belleğe ilk gelen) sayfayı tutarken, kuyruk (tail) kısmı en yeni (en son gelen) sayfayı tutar. Bir sayfa hatası durumunda, listede baş kısmın işaret ettiği sayfa seçilmektedir. Belleğe yeni yüklenen sayfa da liste sonuna eklenir.

Uygulaması ve yazılması kolay bir metoddur. Fakat sadece sayfaların belleğe geliş sıralarına bakmakta, sayfaların kullanım sıklığını göz ardı etmektedir. Sıklıkla kullanılan sayfaların da bellekten çıkarılmasına sebep olabilmektedir. Ayrıca belleğe her sayfa giriş çıkışında da bağlı listenin güncellenmesi gerekecektir. Bunun için tercih edilen bir metod değildir.

Sadece 3 tane sayfayla referans edilebilen bir bellekte sirasiyla 1,5,3,1,6,1,6,5 numarali sayfalara erişim gerekliliği olsun. Bellekteki sayfaların durumu sırasıyla aşağıdaki gibi olacaktır.

1 numarali sayfaya istekte bulunulduğunda sayfa belleğe yüklenecektir. Daha sonra 5 numarali sayfaya istekte 5 ve ardindan da 3 numarali sayfa belleğe yüklenecektir. Bu anda belleğe ilk yüklenen 1 numarali sayfa en eski durumunda, son eklenen 3 ise en yeni durumundadır. Daha sonra 1 numaralı sayfaya tekrar istekte bulunulur ve bellekte zaten olduğu için herhangi bir yerdeğiştirme yapılmadan sıradaki 6 numaralı sayfaya istek ele alınır. Henüz bellekte referans edilmemiş bir sayfa numarasına istek verildiğinden sayfa hatası oluşur ve bunun FIFO ile çözümünün yapılabilmesi için en eski sayfanın çıkarılıp yerine yeni gelen sayfanın yüklenmesi gerekmektedir. Buradaki çıkarma işleminin eger çıkarılacak sayfada bir değişiklik olduysa takas alanına yazmak ya da kullanılmayacaksa üzerine yazmak şeklinde olacağı unutulmamalıdır. Böylece 6 numaralı sayfa 1 numaralı sayfanın olduğu konuma yüklenir. Bu durumda en yeni olan sayfa 6, en eski olan sayfa ise 5 dir. 1 numaralı sayfaya tekrar istek geldiğinde artık bellekte olmadığından tekrar sayfa hatası oluşur ve bu sefer 5 numaralı sayfa çıkarılarak yerine 1 numaralı sayfa yüklenir. Tekrar 6 numaralı sayfaya istekte bulunulduğunda zaten bellekte olduğu için sıradaki isteğe geçilir ve 5 numaralı sayfa isteğiyle sayfa hatası tekrar oluşur ve diğerlerine göre daha uzun süredir bellekte beklemekte olan 3 numaralı sayfa çıkarılarak yerine 5 numaralı sayfa yüklenir.

Oğuz Yarımtepe