3.2 Виртуальная память

Виртуальная память сегодня является общепринятым способом организации памяти любого компьютера. Понятие виртуальная память объединяет в себе совокупность аппаратных компонентов в составе процессора и программных средств в составе операционной системы. Аппаратура процессора выполняет трансляцию (пересчет) адресов при обращении к памяти, а подпрограммы в составе операционной системы управляют обменом данных между диском и ОЗУ. Для работы виртуальной памяти используется также механизм прерываний, рассмотренный ранее в нашем курсе.

Предпосылки создания виртуальной памяти

Необходимость коренным образом реорганизовать подсистему памяти появилась в связи с развитием многозадачности. Однозадачная операционная система отдает всю память в распоряжение текущей выполняемой программы. Максимум, что при этом требуется от операционной системы, это обеспечить защиту собственных программ и данных от злонамеренных или ошибочных действий прикладной программы, и такая задача легко решалась введением в процессоре граничного регистра.

Граничный регистр определял наибольший адрес, по которому еще может обращаться к памяти прикладная программа. Адресное пространство от граничного адреса и выше принадлежало операционной системе, и пользовательская программа не может туда обращаться. Адресное пространство ниже граничного адреса доступно как прикладной программе, так и операционной системе.

Однако, с развитием многозадачности возникли новые специфические требования к подсистеме памяти: прежде всего, потребовалось делить память между программами, выполняющимися параллельно. На практике, это оказалось отнюдь не тривиальной задачей из-за эффекта фрагментации памяти.

Рассмотрим следующий пример. Пусть в системе последовательно запущены программы P1, P2 и P3. Пусть при этом получено распределение памяти, показанное на рис. 22. Программа P4 в этой ситуации не может быть запущена, т.к. для ее размещения недостаточно свободной памяти.

Рис.22 Распределение памяти после запуска трех программ.

Пусть теперь программа P2 завершилась и освободила память. Хотя общий объем свободной памяти теперь достаточен для запуска программы P4, она все равно не может начать работать, т.к. свободная память представлена в виде двух фрагментов недостаточного размера (рис. 23).

Рис.23. Распределение памяти после завершения второй программы

Казалось бы, очевидным решением является перемещение в памяти программы P3 вплотную к программе P1. Однако, на практике выполнить такое перемещение далеко не просто. Перемещаемая программа могла ссылаться на абсолютные адреса в памяти, и при перемещении необходимо было бы найти в ее коде и скорректировать все такие ссылки. Это слишком сложная и длительная операция, чтобы использовать ее в качестве основного способа борьбы с фрагментацией.

Мы рассмотрели сейчас наиболее простую ситуацию, когда перед запуском программы заранее известно, сколько памяти ей требуется. Но в программе может использоваться динамическое выделение памяти во время выполнения, и картина распределения памяти становится еще более сложной и запутанной.

До появления системы виртуальной памяти, проблема фрагментации так и не была решена полностью.

Первым шагом к виртуальной памяти стала система свопинга, от английского глагола to swap – обменивать, которая появилась в 60-е годы XX века. Идея свопинга состоит в том, чтобы при нехватке памяти для размещения новой программы, временно выгрузить из оперативной памяти на диск одну или несколько программ. Например, в примере на рис. 23 можно выгрузить программу P1 или P3, чтобы начать выполнение программы P4.

Очевидно, что целесообразность выгрузки той или иной программы должна отдельно оцениваться в каждом конкретном случае. Желательно выгружать простаивающие в данный момент программы. Однако в многопользовательской системе программы могут выгружаться поочередно, после истечения некоторого интервала времени, чтобы создать для всех пользователей иллюзию одновременной работы.

Были созданы весьма совершенные системы свопинга. В наиболее продвинутых из них, на диск могла выгружаться не вся программа целиком, а только ее часть, с целью освободить достаточно памяти при минимальном обмене с диском.

Однако к настоящему времени свопинг практически полностью уступил свои позиции системе виртуальной памяти, хотя он еще сохраняется в некоторых операционных системах, например в системах семейства UNIX, в качестве дополнительного средства оптимизации памяти.

Свопинг до некоторой степени решил проблему распределения памяти, пусть не так хорошо, как это делает система виртуальной памяти, но вполне приемлемо для того этапа развития вычислительной техники. Однако помимо проблемы распределения памяти, остается не менее важная проблема защиты данных в памяти компьютера, которую свопинг совершенно не затрагивает.

Оказалось, что совсем не просто предложить механизм, позволяющий надежно и с минимальными накладными расходами обеспечить защиту данных одной программы от несанкционированного доступа со стороны другой программы. В конечном итоге, проблемы защиты и совместного использования данных были полностью решечены только после появления виртуальной памяти.