Лабораторные работы / Задания / ЛР 4 АРХИТЕКТУРА ПАМЯТИ WINDOWS

Лабораторная работа№

5

АрхитекпамятиWindowsура

Цельработы:

получепрактическихнавыкиепоиспользованию

Win32 API для

исследованияпамятиWindows

Типыпамяти

В Windows реалсивиртуальностемазована

й

памяти,основаннаямоделипло

ского

(лин ейадресного) пространства,кот дляздкаждогояпроцессаетиллюзиюогромного

закрытогоадреснпространства.Виртуальнаягопамятьформилогическоеп уетедставление

памяти,котонесржетоответствоватьфизическо

й структуре.Вовремявыполне

ниядиспетчер

памяти —приподдержкеоборудования

—транслиотоб( )виртуальныеуетажаадресат

физические,гдефактическихранятсяданные.Управляязащито

й иотображениемадресов,ОС

можпредотвращатьстолкновеотдельпроцилнеиыхссоврезаписьданя

ныхОС.

Таккаквбольшинствесистемобъемфизическо

й памятигораздоменьшесуммарно

го

объемавиртуально

й памяти,используемо

й работающипроцессами,диспетчерпа яти

переновыгружает( )частьитодержпамятина.Выгрузкаскмогодан

ныхнадиско

свобождает

физипамять,ческуютобыонамоглаисподлдругьзоватьяпроцессовисамолихя

й ОС.Когда

потокбращаетсяповиртуальвыгруженномуадресу, диска,диспетчервиртуально

й памяти

подгружаетинформациюобрав сдискамятьно.

Нарис. 1

.1

продемонстрированоиспользованиевир

туальной памятидвумяпроцессами;

частипамятиотображвфизическпаОЗУмятьются(),адрчастиувыгружаютсягиенадиск.

Обративниманиенато,чтопрерывныеблокивиртуально

й памоягуттображатьсяив

несмежныеблокифизическо

й памяти.Этиблокиназывстр,аихютсяразмерницамипо

умолчаниюсоставляетКба4

йт.

Рис. 1 .1

Размервиртуальадреспространогоизмевзависимостинстваяетсяотаппа

ратной

платформы.В 32

-разрядныхплатформах86общее

виртуальноеадрес

ноепространство

ограниченотеоретическиммаксимумомГба4

йт.Поумолча

нию Windows выделяетнижнюю

половинуадресногопрост(отанстваеса0

x80000000 до OxFFFFFFFF) процессамдляих

собственной закрытой памяти,верхнююполовину

(адресаот0

x80000000 до OxFFFFFFFF) —для

собственногозащиспользованиященногопамяОС.От нижнбражения

й половины

изменяютсявсоответствиивиртуальадреспространствомнымтекущегопроцесса,но

отображенияверхне

й половиныбольшинстве(

случаев) всегдасостоятизвиртуально

й памяти

ОС.

Windows

поддепарвремениживаетаметзаг,коузкиыпредоставляюторыепроцессам,

выпослняющимобпоразомымпрограммыеченные,возможностьиспользоватьдоГба3

йт

закрытогоадреснпростр, гоанства

ляяГба1

йтдляОС.Нарис. 1.

2 изображеныдве

типичныеструктурывиртуальадреспространстваного,поддерживаемые32

-разрядными

версиямиWindows.

Рис. 1Типичная.2структура. виртуальадреспространстваного32

-разрядныхверсия

Windows

Рис. 1Типичная.2структура. виртуальадреспространстваного64

-разрядныхверсия

Windows

Физическаяпамять

- этореальныемикросхемы

RAM,устанвкомпьютеревленн.Каждый

байтфизическойпамятиимеетадр,которыйеский

представляетсобчислоотнуляй

числанаединицуменьшего,чемколичествобайтовфизическойпамяти.Например,ПК

установленнымиМб64

RAM,имеетфизичадрН00000000ес&киеа

-&Н04000000в

шестнадцаси числентем, вдесятичнойричнойстеме

будет0

-67 108 863.

Физическпамятьвотличие( фподкачкияйлавиртуальнойпамяти)является

исполняемой,тоестьпамятью,изкот читатьройжновк центторуюп оцессоральный

можетпосредствомсистемыкомандзаписыватьданные.

Виртуальнаяпамя

ть

Виртуальнаяпамять(

virtual memory) - этопростонабчисел,котргокакврыхорят

виртуальныхадресах.Программистможетиспользоватьвиртуальныеадреса,но

Windows не

способнаэтимадрепосресамобращатьсякданнымственно,посколькутакойадр

есне

являетадреальногофизическогояомзап устрмин,каквослучаеющегойствафизических

адресови файлаподкачки.Длятогочткодсвиртуальнымибыадресамиможнобыл

выполнить,такиеадресадолжныбыотображеныьнафизичадр,покескиеа

оторым

действительномогутхранитьсякодыданные.Этуоперациювыполняетдиспетчервиртуальной

памяти(

Virtual Memory Manager - VMM)Операционная. система

Windows обозначаетнекоторые

обласпамятивиртуальнойкакобласти,ккоторымжнобратитьсяиз

программ

пользовательскогорежима.Всеостобластильныеуказываютсякакзарезерв.Какированные

облпадоступнымятисти,акакиезар ,зерависитотверсииировоперационнойсистемыны

(Windows 9x или Windows NT).

Страничныеблокипамяти

Какизвестно,на

именьшийадресуемыйблокпамяти

- байт.Однакосамаленькимымблоком

памяти,которымоперирует

Windows VMM,являетсястрапамяназываемая, ицатакжеи

страничнымблокомпамяти.Накомпроцессорамиьютрах

Intel

объемстраничногоблока

равенКб4.

Памятьфайлаподкачки

Страничнфайл,которназтакжеыфйвйподкачкийломется

,

в Windows находится

жесткомдиске.Онисподхранляьзуданиепрограммнтсяияыхточнотакже, иакфизическая

память,ноегообъемобычнопревышаетобъемфизическойпамяти

. Windows используетфайл

подкачкиилифайлы( ,ихможбытьнесколько)дляхраиненияформации,котораяне

помещаетсяв

RAM,производя,еслинужно,обменстраницмеждуфайломподкачки

RAM.

Такимобразом,диапазонвиртуальныхадресовскореесогласуется

адресамивфайле

подкачки,чемсадресамиф зичеспамяти.Когдатакоесоглайдостигается,ование

говорят,что

виртуальадресаспроециронфайлыеподкачки,илияваныляютсяпроецируемыминафайл

подкачки.

Наборвиртуальныхадресовможе

тпроецироваться

нафизическуюп

амять,файлподкачки

илюбойифайл.

Адресноепространпроцессатво

КаждыйпроцессWin32получаетвиртуальноеадресноепрос

транство,

объемкоторогоравен

4Гб.Такимобразможет,кодпр цессассылатьсян

адресаН&00000000по&HFFFF

FFFF

(илиспо02

32 - 1 = 4 294 967вдесятичн295си числентеме)Конечно. ,йтаккаквияртуальные

адреса - этопросточисла,заявлениетом,чтокаждыйпроцеполучаетсвсбс венное

виртуальноеадресноепространство,

выглядитдовольнобессмысленным

. Темменее,это

утверждениедолжноозначать,чтWindowsвидитникакойвзаимосвязитом,чтопроцесс

А,ипроцессВиспользуютодинтотжевиртуальныйадрес,например&Н40000000Вчастности, .

Windowsможетсопос

тавитьили(несопост)виртуалдресамвитькаждогопроцессанымразные

физичадр. ескиеа

Структураадресныхпространств86

Каждстрвиртуаницаяльно

адресногопространстваможетнаходизтрехномиться

состояний:

файлеподкачкииливфайле,

тображаемомвпамять;

LPVOID VirtualAlloc(

LPVOID IpAddress,

//Адресрезервилвыделяемойируемойобласти.

DWORD dwSise,

//Объемобласти.

DWORD flAllocationType,

//Типраспределения.

DWORD flProtect

//Типзащитыотдоступа.

бытьвыделенаприследующвызэтовем

йжефункции;

памяти;

•

PAGE_READWRITE назначаетдос« енуп

ие-запись»выделеннойвиртуальнойпамяти;

•

PAGE_WRITECOPY устанавливаетдоступзапись«копированием»сору(

-оnwrite)

выделеннойвиртуальнойпамяти.

•

PAGE_EXECUTE разрешаетдоступвыполнение« »

выделеннойвиртуальнойпамяти.Тем

менее,любаяпопыткачтения

- записиэтойпамятипривекнарушениюдоступает;

•

PAGE_EXECUTE_WRITECOPY присваиваетдоступвыполнение« »,чтение»«з«

апись

копированием»;

•

PAGE_NOACCESS запрещаетвсевидыдоступаквыделеннойвиртуальнойпамяти.

Любыеизэтихзначений,заисключением

PAGE_NOACCESS,могуткомбинироватьсяпри

помощилогичоператораского

OR соследующивумяфлага: ми

•

PAGE_GUARD определяетпомечезащищенныестракакицы(

guard page)При.

любпопыткебращенияйзащищеннойстраницесистемавозбуждаетисключительную

ситуацию STATUS_GUARD_PAGE иснимаетданнойстраницыстатусзащищенной.

Такимобр,защищезомстраницыпредупрежданые

юттолькопервомобращениик

ним;

Следуетобъяснизапись,ч акоедоступ« копир»Допу. ,некотораяваниемстраница

физическойпамятисовместноиспользуетдвумяпроцессами.Еслионапомеченая

кактолько«

длячтения»,тодвапроцесбезпроблеммогусовапользесэтострнойв.Однаконицейться

возможныситуации,когдакаждпртребуетсяоцмуразрешитьссузаписьв

этупамять,нобез

воздействияна

другпр.Поцессуй тлезащитыновкизапись«

копи» рпоиваниемпытке

записивсовместноиспользуемкопиюстраницси оздасттемаееуспециальнодляпроцесса,

которомунужноосуществитьзапись.Такимобр,д страницаннзомпересябытьсовместноает

используемой,апредставлениеееданныхдругих

процессахстаетсянеизменным.

Необходотме,чтоатрибутыитьзащитымостранмогутбытьизмененыцыспомощью

API-функции Virtual Protect.

Гранулярностьп асипамятиределении

Еслипараметр

IpAddress неявляекра64Кбт,тосистеманымя округляетук з

анныйадресв

меньшуюсторонудоближайшегочисла,кратного64Кб.

Windows всегдавырначальныйвнивает

адресвиртуальпамятинаграниой

цугрануляраспределенияности

,котораяявляетсячислом

кратным64Кбпри(использованиипроцессоров

Intel)Другими. сл

овами,начаадреслюбогоьный

блоказарезервирпамятипредсточисловбойкратноеннойвляет64Кб.

Крто, гомебъемвыделяемойпамяти

всегдакратенобъемусистемной

страницы,тоесть4

Кб.Поэтомуфункция

VirtualAlloc будетокруглятьлюбоезапрашиваемое

количествобайтов

большуюсторонудоближайшегочисла,кратногообъемустраницы.

Примериспользованияфункции

GlobalMemoryStatus

вывомножестводанныхит,имеющихотношенкпамяти,всослтавеструктурыдующей:

struct_MEMORYSTATUS {

DWORD dwLength;

// Размер структуры MEMORYSTATUS.

DWORD dwMernoryLoad;

//Процентиспользуемойпамяти.

DWORD dwTotalPhys;

//Количествобайтовфизическойпамяти.

DWORD dwАvailPhys;

//Количествосвободныхбайтовфизическойпамяти.

DWORD dwTotalPageFile;

// Размервбайтахфа

йлаподкачки.

DWORD dwAvailPageFile;

//Количествосвободныхбайтфайлап .дкачки

DWORD dwTotalVirtual;

//Количествобайтовадресногопространства,

//доступнпользователю. го

DWORD dwAvailvirtual;

//Количест свободныхбайтовпамяти,

//доступныхпользователю.

dwTotalVirtual: DWORD;

dwAvailVirtual: DWORD;

end;

Управлениевиртуальнойпамятью

Рассмотрим,какдиспетчервиртуальнойпамяти

Windows преобразуетадресавиртуальной

памятифиз.

ческие

Преобвиртуальныхзованиедресовфизические:поп

адание

Нарисункепоказанпроцпреобразовссприотображениивиртуальныхадресовния

физические.Онназываетсяпопаданифизич( )страницуе(мскую

page hit).

Всевиртуаадресаделятнатриьныечасти.Самлеваябитыясть( 22

-31)содержит

индекската

логастраницпроцесса.

Windows поддерживаетотдельныйкаталогстраницдля

каждопроцесса.Еадгохранводномирегистровзтсяцентп альногооцессора,который

называется CR3В.операцию( переключениязадачвходитпереведение

CR3всост,когдаяние

указываетнакаталогстрапроцесса,нкоторыйицосуществляяпереключение.Каталог) страниц

одержит1024четырехбайэлемен. таовых

Windows поддкаляерпроцессаждогоиваетсовокупностьтаблицстраниц(

page table).

Каждыйэлементкаталстраницодержига

туникальныйномер.Поэтому

Windows поддерживает

до1024таблицстраниц.Вдейс( таблицывистраницсоздаюельностолькоприпопыткеися

обращениякданнымиликодуконкревирадртуальному, когдаесувыделяется

виртуальнаяпамять).

Следующаячас

тьвиртуальногоадресабиты( 12

-21)используетсявкачествеиндекса

таблицестраниц,соответствующейыбранномуэлементкаталогастраниц.Каждыйэлемент

таблицы,соответствующийуказанномуиндек,содержит20таршихразрядахномер

страничногоблока,

которыйзадаетконкретныйстранблокфичныйзическойпамяти.

Третья,ипоследняя,частьвиртуаль

ногоадресабиты( 0

-11)предсобойтамещениевляет

данномстраничномблоке.Сочетаниеномерастраничногоблокасмещениядаютвсовокупности

адресфизическойпамяти.

элементвобоихкаталстрноаднуницгахтужетаблицустр

аниц,след,наовательнодин

тотжестраничныйблок.Такимобразом,процессымогутсовместноиспользоватьфизическую

память.

Каитаблицысистемлогстраницых

Нужнотакжеуп,чтомянуть

Windows поддерживаеткаталогсистемстра( ныхиц

system

page directory)дляработысвиртуальнойпамятью,зарезервированной

Windows,также, иак

соответствующуюсовокупностьтаблицсистемстра. ыхиц

Совмеиспользуемстраницыное

Ситуацияссовместноиспользуемойфизическойпамятьюявляетсязначитболеельно

сложной,небудемуглублявдетали,отметимолькоься,что

VMM испконцепциюльзует,

называемуюпрототипировэлементовтаблицыстраниц.Идеяз ниемключаетсявтом,что

обычныеэлементытаблкаждогоисовместнозцыиспользпамятьпроцессовующихказываютне

на физическуюпамять,наобщийпрототипэлементаблицыстраниц.Атот,всвоюочередь,

можетссылатьсянасовместноиспользуемуюфизическуюпамять.

Рабочиенаборы

КаждстрвиртуаницаяадреспространльногобъемомцеГб4существуеттваса

одномизтрехсостояний

- свободном(

free),зарезервированном(

reserved)илипереданном

(committed)Теперь. можнотакжесказ,чтоапередаждаятьстраница( ная

committed page)

являилидейтс,илянедействительнойтельндействительныхи .Сов купностьстра

ниц,то

естьпроецнафизическуюровпамять,н зыврабочимнныхборамют(

working set)процесса.

Рабочийнаборпостоянноменямеретого,кактсястраницыподкачиваютсяпамятьили

выполняеобратноедействие. ся

Системныйрабочийнабор(

system

working

set)характеризуетвиртуальныестраницы

систепамяти,котвданныййорыемомеотображеныфизическуюпамять.

Размеррабочегонаборапр граниченцессатемиустан,котопвкамирыееделяет

Windows

взависимостиотобъемафизическойп .Этимятизначе

нияприведены

следующейтаблице.

Модель

Объем

Минимальныйразмеррабочего

Максиразмеральный

памяти

памяти

наборапроцесса

рабочегонаборапроцесса

Small

<=19Мб

20страниц(80Кб)

45страниц(180Кб)

Medium

20-32Мб

30страниц(120Кб)

145страниц(580Кб)

Large

>=Мб33

50страниц

(200Кб)

345страниц(1380Кб)

Этипределымогутбытьизмененыспомощью

API-функции

SetProcessWorkingSetSize: