45. Средства реализации виртуальной памяти; стратегия подкачки страниц

Виртуальная память требует глубоко встроенных в аппаратуру процессора внутренних средств, которые в совокупности со служебными структурами данных, создаваемыми и поддерживаемыми программно, создают видимость для отдельной программы полного владения ею всей совокупностью имеющихся ячеек физической памяти. Эта видимость называется также страничной переадресацией.

Кроме страничной переадресации, обеспечиваемой архитектурными средствами в совокупности с ОС, для функционирования виртуальной памяти используют так называемую подкачку страниц. Существо подкачки страниц в том, что часть внешней памяти используется ОС как средство временного хранения менее нужных страниц оперативной памяти, причем такое временное сохранение и восстановление информации из внешней памяти в оперативную организуется совершенно незаметно для вычислительных процессов. Практически единственное, что в этом методе (временной подмене части оперативной памяти внешней) становится заметным, так это замедление действий процесса, который ОС вынужденно приостанавливает для такого восстановления информации.

Если же в анализируемой строке таблицы страниц соответствующим битом указано, что страница не находится в физической памяти, то в ней присутствует информация, где же во внешней памяти находится содержимое этой страницы. Такая ситуация вызывает прерывание, называемое страничным прерыванием. Обрабатывая его, операционная система находит место в последовательности физических страниц, содержимое которых по ее алгоритмам можно временно вытеснить во внешнюю память. Система производит это перемещение, делает изменение в той строке таблицы страниц, которая ранее описывала вытесненное содержимое (возможно в таблице страниц другого процесса). Затем она переносит нужное содержимое страницы из внешней памяти в выбранную страницу и корректирует исходную строку таблицы страниц. По завершении прерывания вычислительный процесс возвращается к началу выполнения той исходной команды, которую начали рассматривать. Со второй попытки выполнения той же команды уже обнаруживается конкретное значение физической страницы, куда требуется доступ, и обращение осуществляется, как описано выше.

Виртуальная память позволяет выполнять программы, размер которых значительно больше размера имеющейся физической памяти. Это достигается за счет того, что из исходного файла в оперативную память переносятся только те страницы, которые действительно необходимы на текущий момент. Остальная часть исходного файла используется путем подкачки страниц по действительному запросу на них, причем часть ранее используемых страниц обычным образом вытесняется в свопинг-файл или отмечается как неизменно присутствующая в области хранимого исполняемого файла.

46. Системные функции распределения памяти в Unix

Кроме незаметного для выполняемой программы использования виртуальной памяти, современные ОС содержат средства явного получения заказываемых объемов памяти. Операционные системы содержат системные средства, которые позволяют запрашивать для работы программы дополнительные области данных, причем для последующего доступа к этим областям системная функция возвращает значение указателя, которое может быть запомнено в именованном указателе.

Проще всего такие средства организованы в Unix. Здесь имеются всего четыре системные функции, связанные с выделением и распределением оперативной памяти, называемые malloc, free, calloc и realloc.