Виртуальная память

На разных этапах жизненного цикла программы используются различные типы адресов:

· символьные имена присваивает пользователь при написании на алгоритмическом языке или ассемблере;

· виртуальные адреса вырабатывает транслятор, переводящий программу на машинный язык. Поскольку во время трансляции в общем случае неизвестно, в какое место оперативной памяти будет загружена программа, то транслятор присваивает переменным и командам виртуальные адреса, считая, что начальным адресом будет нулевой адрес;

· физические адреса соответствуют номерам ячеек оперативной памяти, где в действительности расположены или будут расположены переменные и команды.

Совокупность виртуальных адресов называется виртуальным адресным пространством. Различают максимально возможное виртуальное адресное пространство (определяется архитектурой компьютера) и назначенное (выделенное) процессу виртуальное адресное пространство (фактически нужные процессу адреса, первоначально назначается транслятором, размер его может быть изменен во время выполнения). Обычно виртуальное адресное пространство процесса делится на две непрерывные части: системную и пользовательскую (по умолчанию в Windows 2000 эти части имеют одинаковый размер – по 2 Гбайт; пользовательская часть адресного пространства процесса располагается в диапазоне адресов 00000000-7FFFFFFF, системная – 80000000-FFFFFFFF).

Системная часть виртуальной памяти в ОС любого типа включает область, подвергаемую страничному вытеснению, и область, на которую страничное вытеснение не распространяется. В невытесняемой области размещаются модули, требующие быстрой реакции и /или постоянного присутствия в памяти, например диспетчер потоков. Остальные модули ОС подвергаются страничному вытеснению, как и пользовательские процессы.

В разных ОС используются разные способы структуризации виртуального адресного пространства. В одних ОС виртуальное адресное пространство процесса представлено в виде непрерывной линейной последовательности виртуальных адресов. Такую структуру делится на адресного пространства называют плоской. При этом виртуальным адресом является одно число, представляющее собой смещение от начала виртуального адресного пространства. Это линейный виртуальный адрес. В других ОС виртуальное адресное пространство части, называемые сегментами. В этом случае помимо линейного адреса может быть использован виртуальный адрес, представляющий собой пару чисел (m,n), где n определяет сегмент, а m – смещение внутри сегмента. Существуют и более сложные способы организации виртуального адресного пространства.

Задачей ОС является отображение индивидуальных адресных пространств всех одновременно выполняющихся процессов на общую физическую память.

В настоящее время типична ситуация, когда объем виртуального адресного пространства превышает доступный объем оперативной памяти (максимальный размер физической памяти, которую можно установить в компьютере определенной модели ограничивается разрядностью адресной шины).

Существует два подхода к преобразованию виртуальных адресов в физические:

1) Пересчет виртуальных адресов в физические выполняется один раз для каждого процесса во время начальной загрузки программы в память. Эту операцию выполняет специальная системная программа – перемещающий загрузчик.

2) Программа загружается в память с неизмененными виртуальными адресами. Во время выполнения программы при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Это так называемое динамическое преобразование адресов.

Виртуализация оперативной памяти осуществляется совместно ОС и аппаратными средствами процессора и включает решение следующих задач:

· размещение данных в запоминающих устройствах разного типа, например часть кодов программы – в оперативной памяти, а часть – на диске;

· выбор образов процессов или их частей для перемещения из оперативной памяти на диск и обратно;

· перемещение по мере необходимости данных между памятью и диском;

· преобразование виртуальных адресов в физические.

Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных подходов:

· свопинг (swapping) — образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

· виртуальная память (virtual memory) — между оперативной памятью и диском перемещаются части (сегменты, страницы и т. п.) образов процессов.

Свопинг представляет собой частный случай виртуальной памяти и, следовательно, более простой в реализации способ совместного использования оперативной памяти и диска. Однако подкачке свойственна избыточность: когда ОС решает активизировать процесс, для его выполнения, как правило, не требуется загружать в оперативную память все его сегменты полностью — достаточно загрузить небольшую часть кодового сегмента с подлежащей выполнению инструкцией и частью сегментов данных, с которыми работает эта инструкция, а также отвести место под сегмент стека. Аналогично при освобождении памяти для загрузки нового процесса очень часто вовсе не требуется выгружать другой процесс на диск целиком, достаточно вытеснить на диск только часть его образа. Перемещение избыточной информации замедляет работу системы, а также приводит к неэффективному использованию памяти. Кроме того, системы, поддерживающие свопинг, имеют еще один очень существенный недостаток: они не способны загрузить для выполнения процесс, виртуальное адресное пространство которого превышает имеющуюся в наличии свободную память. Именно из-за указанных недостатков свопинг как основной механизм управления памятью почти не используется в современных ОС. На смену ему пришел более совершенный механизм виртуальной памяти, который заключается в том, что при нехватке места в оперативной памяти на диск выгружаются только части образов процессов.

Ключевой проблемой виртуальной памяти, возникающей в результате многократного изменения местоположения в оперативной памяти образов процессов или их частей, является преобразование виртуальных адресов в физические. Решение этой проблемы, в свою очередь, зависит от того, какой способ структуризации виртуального адресного пространства принят в данной системе управления памятью. В настоящее время все множество реализаций виртуальной памяти может быть представлено тремя классами.

· Страничная виртуальная память организует перемещение данных между памятью и диском страницами — частями виртуального адресного пространства, фиксированного и сравнительно небольшого размера.

· Сегментная виртуальная память предусматривает перемещение данных сегментами — частями виртуального адресного пространства произвольного размера, полученными с учетом смыслового значения данных.

· Сегментно-страничная виртуальная память использует двухуровневое деление: виртуальное адресное пространство делится на сегменты, а затем сегменты делятся на страницы. Единицей перемещения данных здесь является страница. Этот способ управления памятью объединяет в себе элементы обоих предыдущих подходов.

Для временного хранения сегментов и страниц на диске отводится либо специальная область, либо специальный файл, которые во многих ОС по традиции продолжают называть областью, или файлом свопинга, хотя перемещение информации между оперативной памятью и диском осуществляется уже не в форме полного замещения одного процесса другим, а частями. Другое популярное название этой области — страничный файл (page file, или paging file). Текущий размер страничного файла является важным параметром, оказывающим влияние на возможности операционной системы: чем больше страничный файл, тем больше приложений может одновременно выполнять ОС (при фиксированном размере оперативной памяти). Однако необходимо понимать, что увеличение числа одновременно работающих приложений за счет увеличения размера страничного файла замедляет их работу, так как значительная часть времени при этом тратится на перекачку кодов и данных из оперативной памяти на диск и обратно. Размер страничного файла в современных ОС является настраиваемым параметром, который выбирается администратором системы для достижения компромисса между уровнем мультипрограммирования и быстродействием системы.