การจัดการหน่วยความจำ

1. ลำดับชั้นของหน่วยความจำ (Memory Hierarchy)

แนวคิดหลัก: คอมพิวเตอร์ต้องบาลานซ์ “ความเร็ว” กับ “ต้นทุน” จึงมีหน่วยความจำหลายชั้น ไล่จากเร็ว–แพง–ความจุน้อย ไปช้า–ถูก–ความจุสูง

1. ระดับต่าง ๆ

• Register

  • อยู่ภายใน CPU ใกล้ตัวหน่วยคำนวณที่สุด

  • ขนาดเล็กมาก (หลักสิบ–หลักร้อยไบต์) แต่เร็วที่สุด ใช้เก็บค่าตัวแปร/ผลลัพธ์ชั่วคราวของคำสั่งที่กำลังทำงาน

• Cache (L1, L2, L3)

  • อยู่บน chip CPU หรือใกล้ CPU มาก

  • แบ่งเป็นหลายระดับ: L1 เร็วที่สุดแต่เล็กสุด, L2/L3 ช้าลงแต่ใหญ่ขึ้น

  • หน้าที่คือเก็บสำเนาข้อมูล/คำสั่งที่ “มีแนวโน้มใช้บ่อยในระยะสั้น” เพื่อลดการเข้าถึง RAM

• Main Memory (RAM)

  • เป็นที่อยู่ของโปรเซสและข้อมูลที่กำลังใช้งาน

  • OS จัดสรรพื้นที่ใน RAM ให้แต่ละโปรเซส เช่น code, data, stack, heap

  • เข้าถึงช้ากว่า cache แต่ยังเร็วกว่า disk มาก

• Secondary Storage (SSD/HDD)

  • ใช้เก็บไฟล์ ถาวร เช่น ระบบปฏิบัติการ โปรแกรม เอกสาร ฯลฯ

  • ความจุสูงมากแต่ช้ากว่า RAM หลายเท่า

  • OS ใช้เป็นแหล่งโหลดโปรแกรมขึ้น RAM และใช้ทำ swap/page file เมื่อต้องจำลอง RAM เพิ่ม

• Tertiary Storage (Tape, Cloud, Backup Storage)

  • ใช้เก็บสำรองข้อมูลระยะยาว เช่น backup, archive

  • เข้าถึงช้ามาก แต่ต้นทุนต่อ GB ถูกที่สุด

1. หลักการสำคัญ

• Locality of Reference

  • Temporal locality: ถ้าเพิ่งใช้ข้อมูลชุดหนึ่ง มีโอกาสสูงว่าจะใช้ซ้ำอีก

  • Spatial locality: ถ้าใช้ตำแหน่งหนึ่ง มีโอกาสใช้ตำแหน่งใกล้เคียง

• OS และ hardware (cache controller, MMU) ทำงานร่วมกันเพื่อใช้ประโยชน์จาก locality เอาข้อมูลที่ “มีแนวโน้มใช้บ่อย” ขึ้นมาอยู่ชั้นที่เร็วกว่าโดยอัตโนมัติ

2. Address Binding และ MMU

แนวคิดหลัก: โปรแกรมที่เขียน/คอมไพล์ไม่ได้รู้ตำแหน่งจริงใน RAM ล่วงหน้า จึงใช้ “logical address” แล้วให้ระบบแปลงเป็น “physical address”

1. Logical Address vs Physical Address

• Logical Address

  • ที่อยู่ที่ CPU/โปรแกรมเห็น เช่น 0x0000–0xFFFF สำหรับโปรเซสหนึ่ง

  • เป็นมุมมองเชิงตรรกะ ทำให้แต่ละโปรเซสเหมือนมีหน่วยความจำของตนเอง

• Physical Address

  • ที่อยู่จริงบน RAM เช่น ช่องที่ 2 GB ของแถวแรมจริง

  • ถ้าดูจากมุมมอง hardware จะเห็นเป็นตัวเลขตำแหน่งจริงในโมดูล RAM

• Memory Management Unit (MMU)

  • ฮาร์ดแวร์ระหว่าง CPU กับ RAM ทำหน้าที่แปลง logical → physical ทุกครั้งที่มีการอ้างอิงหน่วยความจำ

  • ใช้ข้อมูลจาก structures ต่าง ๆ เช่น segment table, page table

1. ประเภทของ Address Binding

• Compile-time binding

  • ตำแหน่งหน่วยความจำถูกกำหนดตอนคอมไพล์

  • โปรแกรมต้องโหลดที่ตำแหน่งนั้นเท่านั้น (ไม่ยืดหยุ่น)

  • ปัจจุบันใช้ในบางระบบฝังตัว (embedded) ที่เรียบง่าย

• Load-time binding

  • ตำแหน่งถูกตัดสินตอนโหลดโปรแกรมเข้า RAM

  • ถ้าต้องย้ายตำแหน่งใหม่ ต้องโหลดใหม่เพราะ address เปลี่ยน

• Execution-time binding

  • ใช้ MMU แปลงที่อยู่แบบ dynamic ขณะโปรแกรมกำลังทำงาน

  • ทำให้โปรเซสย้ายที่อยู่ใน RAM ได้ (relocation) หรือแม้แต่แบ่งกระจายเป็นหลายเฟรมได้ (paging)

  • เป็นรูปแบบที่ใช้ใน OS ทั่วไปในปัจจุบัน

3. การจัดสรรหน่วยความจำแบบต่อเนื่อง (Contiguous Allocation)

ใช้ในโมเดลที่ให้โปรเซสหนึ่งใช้พื้นที่ใน RAM ติดกันเป็นบล็อกเดียว (ไม่มีการแบ่งเป็น page/segment ย่อยในระดับ OS)

1. แนวคิด

• RAM ถูกแบ่งเป็น “ช่องว่าง (hole)” และ “ส่วนที่ถูกใช้งาน”

• เมื่อมีโปรเซสใหม่ ต้องหาช่องว่างที่มีขนาด >= ขนาดที่โปรเซสนั้นต้องการ

• เมื่อโปรเซสจบ จะปล่อยพื้นที่กลับเป็นช่องว่าง ทำให้เกิดช่องว่างเล็ก ๆ กระจายอยู่ (external fragmentation)

1. วิธีเลือกช่องว่าง

• First-fit

  • เลือก “ช่องแรก” จากต้นหน่วยความจำที่ใหญ่พอ

  • เร็วเพราะไม่ต้องไล่ดูทั้งหมด

  • แต่ช่องว่างเล็ก ๆ อาจกระจายเต็มด้านหน้า ทำให้ fragmentation สูง

• Best-fit

  • ไล่ดูทุกช่อง แล้วเลือกช่องที่ “พอดีที่สุด” หรือ เล็กที่สุดที่ยังพอได้

  • ใช้หน่วยความจำคุ้มเพราะไม่เหลือเศษมาก

  • แต่ต้องค้นหานานกว่า และก็ยังเกิดช่องว่างเล็ก ๆ จำนวนมากอยู่ดี

• Worst-fit

  • เลือกช่องที่ “ใหญ่ที่สุด” แล้วจองบางส่วนให้โปรเซส

  • หวังว่าจะเหลือช่องว่างที่ยังใหญ่พอสำหรับโปรเซสอื่นต่อไป

  • โดยทั่วไปใช้ไม่บ่อยและประสิทธิภาพไม่ค่อยดีกว่าวิธีอื่น

1. External Fragmentation และ Compaction

• External Fragmentation

  • พื้นที่ว่างรวมกันอาจเยอะพอ แต่กระจายเป็นชิ้นเล็ก ๆ ทำให้เอามารวมเป็นบล็อกใหญ่ต่อเนื่องไม่ได้

• Compaction

  • OS ย้ายโปรเซสใน RAM มาต่อกันใหม่ เพื่อละลายช่องว่างเล็ก ๆ ให้กลายเป็นบล็อกว่างใหญ่ก้อนเดียว

  • ทำได้เฉพาะเมื่อใช้ execution-time binding (สามารถย้ายได้โดยไม่ต้องแก้โค้ด)

  • มีค่าใช้จ่ายสูงเพราะต้องคัดลอกข้อมูลจำนวนมาก

4. Paging และ Segmentation

สองเทคนิคนี้ถูกใช้เพื่อลดปัญหา fragmentation และเพิ่มความยืดหยุ่นในการจัดการหน่วยความจำ

4.1 Paging

1. แนวคิด

• OS แบ่ง RAM เป็น “เฟรม (frame)” ขนาดเท่ากัน เช่น 4 KB ต่อเฟรม

• แบ่ง logical address space ของโปรเซสเป็น “เพจ (page)” ขนาดเท่ากันกับ frame

• หนึ่งเพจของโปรเซสสามารถไปอยู่ใน frame ใดก็ได้ใน RAM (ไม่ต้องติดกัน)

• ใช้ “Page Table” ต่อโปรเซสเพื่อบอกว่าหน้า (page) ที่ n อยู่ใน frame หมายเลขใด

1. การแปลงที่อยู่ (Address Translation) แบบ paging

• Logical address แบ่งเป็น 2 ส่วน:

  • page number (p)

  • offset ภายในเพจ (d)

• MMU ใช้ page number ไป index ใน page table ได้ frame number (f)

• physical address = frame number (f) + offset (d)

• ทำให้ลด external fragmentation เพราะไม่ต้องให้โปรเซสใช้พื้นที่ติดกันทั้งก้อน มีเพียง internal fragmentation ที่เกิดจากพื้นที่ว่างในเฟรมสุดท้ายของโปรเซส

1. จุดเด่นของ paging

• ทำให้มี “virtual memory” ได้ เมื่อใช้ร่วมกับ secondary storage (page file / swap)

• ง่ายต่อการจัดสรรและย้ายเพราะทุกเฟรมมีขนาดเท่ากัน

4.2 Segmentation

1. แนวคิด

• แบ่งโปรแกรมตามโครงสร้างตรรกะ เช่น

  • segment 0: code

  • segment 1: global data

  • segment 2: stack

  • segment 3: heap ฯลฯ

• แต่ละ segment มีขนาดไม่เท่ากัน และเติบโต/หดตัวได้ตามลักษณะของ segment นั้น

1. การแปลงที่อยู่แบบ segmentation

• Logical address แบ่งเป็น

  • segment number (s)

  • offset ภายใน segment (d)

• มี Segment Table สำหรับแต่ละโปรเซส เก็บ base address (ตำแหน่งเริ่มต้นใน RAM) และ limit (ความยาว) ของแต่ละ segment

• เมื่อจะเข้าถึงที่อยู่

  • ตรวจว่า offset < limit เพื่อเช็คว่าไม่เกินขอบเขต (ป้องกันการล้ำ segment)

  • physical address = base address ของ segment + offset

1. จุดเด่น/ข้อจำกัด

• ใกล้เคียงมุมมองของนักโปรแกรมมากกว่า (logical grouping)

• ทำการป้องกัน (protection) และการแชร์โค้ดระหว่างโปรเซสได้ง่าย

• ยังมี external fragmentation เพราะ segment มีขนาดต่างกันและต้องวางติดกัน

1. การผสม (Segmentation with Paging)

• บางสถาปัตยกรรมใช้ segmentation ระดับตรรกะ แต่ภายใน segment ใช้ paging อีกชั้นหนึ่ง

• ช่วยลด fragmentation ในขณะที่ยังรักษามุมมองแบบ segment สำหรับโปรแกรมเมอร์

5. การตรวจสอบการใช้หน่วยความจำ (Monitoring Memory Usage)

หัวข้อนี้เชื่อมทฤษฎีกับการปฏิบัติจริงบน Windows / Linux

5.1 บน Windows

• Task Manager

  • แท็บ Performance > Memory แสดง

    • ปริมาณ RAM ทั้งหมด, ใช้งานอยู่, เหลือว่าง

    • Cache, Committed, Paged/Non-paged pool

  • แท็บ Processes แสดง RAM ที่แต่ละโปรเซสใช้ (Working Set)

• Resource Monitor

  • รายละเอียดลึกกว่า Task Manager

  • แสดง Hard faults/sec (เกี่ยวข้องกับ page fault), Standby, Modified, Free ฯลฯ

  • เหมาะสำหรับให้ผู้เรียนสังเกตพฤติกรรมเมื่อเปิด/ปิดโปรแกรมหนัก ๆ

• Performance Monitor (perfmon)

  • เลือก counter เช่น

    • Memory\Available MBytes

    • Memory\Pages/sec

  • ใช้เก็บสถิติระยะยาว เช่น ดูแนวโน้มการใช้ RAM ในช่วงเวลาเรียน/ทดลอง

5.2 บน Linux

คำสั่งที่ใช้บ่อย:

• free -h

  • แสดง RAM รวม, ใช้แล้ว, ว่าง, buffers, cached, swap

  • ควรอธิบายว่า “used” ใน Linux รวม cache/buffer ด้วย ซึ่งไม่ได้แปลว่า RAM ขาด

• vmstat

  • แสดงข้อมูล virtual memory เช่น processes, memory, swap, IO, system, CPU

  • ใช้ดูแนวโน้ม page in/out, swap in/out

• top / htop

  • แสดง process แบบ real-time

  • ดูได้ว่า process ไหนกิน RAM/CPU มากสุด

• /proc/meminfo

  • ไฟล์ pseudo ที่เก็บรายละเอียดสถานะหน่วยความจำ

  • ใช้กับ script หรือให้ นศ. อ่านค่าเฉพาะที่สนใจ เช่น MemTotal, MemFree, Buffers, Cached, SwapTotal, SwapFree

กิจกรรมที่ดีในแล็บ:

• ให้ นศ. เปิดโปรแกรม “กิน RAM” เช่น browser หลายแท็บ หรือ VM แล้วสังเกตค่าใน Task Manager / free -h ก่อน–หลัง

• ให้ทดลอง kill process หนัก ๆ แล้วสังเกตว่าค่า cached/buffers เปลี่ยนอย่างไร เพื่อเชื่อมกับแนวคิดว่าระบบชอบใช้ RAM ว่างให้เป็น cache แทนที่จะปล่อย idle