2.7 Управление виртуальной памятью. Понятие виртуальной памяти
Уже достаточно давно пользователи столкнулись с проблемой размещения в памяти программ, размер которых превышал имеющуюся в наличии свободную память. Решением было разбиение программы на части, называемые оверлеями. 0-ой оверлей начинал выполняться первым. Когда он заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист.
Развитие методов организации вычислительного процесса в этом направлении привело к появлению метода, известного под названием виртуальная память. Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. Так, например, пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память, размер которой превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, но в действительности все данные, используемые программой, хранятся на одном или нескольких разнородных запоминающих устройствах, обычно на дисках, и при необходимости частями отображаются в реальную память.
Таким образом, виртуальная память - это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память; для этого виртуальная память решает следующие задачи:
размещает данные в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;
перемещает по мере необходимости данные между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в оперативную память;
преобразует виртуальные адреса в физические.
Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.
Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.
Основная идея заключается в разбиении программы на части, и в память эти части загружаются по очереди.
Программа при этом общается с виртуальной памятью, а не с физической.
Диспетчер памяти преобразует виртуальные адреса в физические.
Страничная организация памяти
Страницы - это части, на которые разбивается пространство виртуальных адресов.
Страничные блоки - единицы физической памяти.
Страницы всегда имеют фиксированный размер. Передача данных между ОЗУ и диском всегда происходит в страницах.
Рисунок 36 - Страничная организация памяти
Страничное прерывание - происходит, если процесс обратился к странице, которая не загружена в ОЗУ Процессор передается другому процессу, и параллельно страница загружается в память.
Таблица страниц - используется для хранения соответствия адресов виртуальной страницы и страничного блока.
Таблица может быть размещена:
в аппаратных регистрах (преимущество: более высокое быстродействие, недостаток - стоимость)
в ОЗУ
Хранение страничной памяти на диске. Статический свопинг
После запуска процесса он занимает определенную память, на диске ему сразу выделяется такое же пространство. Поэтому файл подкачки должен быть не меньше памяти. Как только процесс завершится, он освободит память и место на диске.
На диске всегда есть дубликат страницы, которая находится в памяти.
Этот механизм наиболее простой.
Хранение страничной памяти на диске. Динамический свопинг.
Предполагается не выделять страницам место на диске, а выделять только при выгрузке страницы, и как только страница вернется в память освобождать место на диске.
Этот механизм сложнее, так как процессы не привязаны к какому-то пространству на диске, и нужно хранить информацию (карту диска) о местоположении на диске каждой страницы.