Вопрос 15. Управление оперативной и виртуальной памятью в Microsoft Windows 2000/xp.
У каждого процесса есть 4-гигабайтное адресное пространство, в котором пользователь занимает нижние 2 Гбайт (в некоторых версиях Windows 2000 этот размер может быть по желанию увеличен до 3 Гбайт), а операционная система занимает остальную его часть.
Все системные программные модули находятся в своих собственных виртуальных адресных пространствах, и доступ к ним со стороны прикладных программ невозможен.
Ядро системы и некоторые драйверы работают в нулевом кольце защиты в отдельном адресном пространстве.
остальные программные модули самой операционной системы, которые выступают как серверные процессы по отношению к прикладным программам (клиентам), функционируют также в своем собственном системном виртуальном адресном пространстве, невидимом для прикладных процессов.
Прикладным программам выделяется 2 Гбайт локального (собственного) адресного пространства от границы 64 Кбайт до 2 Гбайт (первые 64 Кбайт полностью недоступны).
Рис. 13.2. Модель распределения виртуальной памяти в Windows 2000 (Логическое распределение адресного пространства процесса)
Прикладные программы изолированы друг от друга, хотя могут общаться через буфер обмена (clipboard).
В верхней части 2-гигабайтной области прикладных программ размещены системные DLL кольца 3, которые выполняют перенаправление вызовов (вызовов API из прикладных программ) в совершенно изолированное адресное пространство, где содержится уже собственно системный код. Этот системный код, выступающий как сервер-процесс (server process), проверяет значения параметров, исполняет запрошенную функцию и пересылает результаты назад в адресное пространство прикладной программы. Хотя сервер-процесс сам по себе остается процессом прикладного уровня, он полностью защищен от вызывающей его прикладной программы и изолирован от нее.
О кольцах в Windows (сие просто так): в Windows NT используются только два уровня привилегий: нулевое и третье кольцо. В нулевом кольце работает ядро системы и системные драйверы, а в третьем - все запущенные приложения. Привилегированные команды и ввод-ввод для третьего кольца запрещены, для взаимодействия с аппаратной частью компьютера вызываются системные сервисы ядра ОС, которые оформлены как шлюзы. При вызове такого шлюза процесс переходит в нулевое кольцо, и там ядро ОС и драйверы обрабатывают запрос и возвращают результаты приложению. После перехода в нулевое кольцо приложение не может как-либо контролировать свое исполнение, пока управление не будет возвращено коду третьего кольца. Это есть необходимое условие защиты, оно обеспечивает безопасность всей системы.
При вызове API из прикладной программы, DLL клиентской стороны обращаются к локальным процедурам(Local Process Communication-LPC), которые передают вызов в совершенно изолированное адресное пространство, где содержится собственно системный код.
Между отметками 2 и 4 Гбайт расположены низкоуровневые системные компоненты Windows NT кольца 0, в том числе ядро, диспетчер потоков и диспетчер виртуальной памяти.
Это делает низкоуровневый системный код невидимым и недоступным для записи для программ прикладного уровня, но приводит к падению производительности во время переходов между кольцами.
При запуске приложения создается процесс со своей информационной структурой.
В рамках процесса запускается поток.
При необходимости этот поток (задача) может запустить множество других потоков (задач), которые будут выполняться параллельно в рамках одного процесса. Множество запущенных процессов также выполняются параллельно и каждый из процессов может представлять из себя мультизадачное приложение.
Потоки в рамках одного процесса выполняются в едином виртуальном адресном пространстве, а процессы выполняются в различных виртуальных адресных пространствах.
Отображение различных виртуальных адресных пространств исполняющихся процессов на физическую память реализует сама ОС; именно корректное выполнение этой задачи гарантирует изоляцию процессов от невмешательства.
Для обеспечения взаимодействия между выполняющимися приложениями и между приложениями и самой операционной системы используются механизмы защиты памяти, поддерживаемые аппаратурой микропроцессора.
Процессами выделения памяти, ее резервирования, освобождения и подкачки управляет диспетчер виртуальной памяти (virtual memory manager - VMM).
Каждая виртуальная страница памяти, отображаемая на физическую страницу, переносится в так называемый страничный фрейм (page frame).
Прежде чем код или данные можно будет переместить с диска в память, диспетчер виртуальной памяти (VMM) должен найти или создать свободный страничный фрейм или фрейм, заполненный нулями.
Заполнение страниц нулями представляет собой одно из требований стандарта на системы безопасности уровня С2, принятого правительством США. Страничные фреймы должны заполняться нулями для того, чтобы исключить возможность использования их предыдущего содержимого другими процессами. Чтобы фрейм можно было освободить, необходимо скопировать на диск изменения в его странице данных, и только после этого фрейм можно будет повторно использовать. Программы, как правило, не меняют страницы кода. Страницы кода, в которые программы не внесли изменений, можно удалить.
Диспетчер виртуальной памяти может быстро и относительно легко удовлетворить программные прерывания типа «ошибка страницы» (page fault).
Что касается аппаратных прерываний типа «ошибка страницы», то они приводят к подкачке (paging), которая снижает производительность системы.
В Windows 2000 выбрана дисциплина FIFO для замещения страниц.
Когда процесс использует код или данные, находящиеся в физической памяти, система резервирует место для этой страницы в файле подкачки Pagefile.sys на диске. Это делается с расчетом на тот случай, что данные потребуется выгрузить на диск. Файл Pagefile.sys представляет собой зарезервированный блок дискового пространства, который используется для выгрузки страниц, помеченных как «грязные», при необходимости освобождения физической памяти.
Этот файл может быть как непрерывным, так и фрагментированным; он может быть расположен на системном диске либо на любом другом и даже на нескольких дисках. Размер этого страничного файла ограничивает объем данных, которые могут храниться во внешней памяти при использовании механизмов виртуальной памяти.
В системах Windows NT объекты, создаваемые и используемые приложениями и операционной системой, хранятся в так называемых пулах памяти (memory pools). Доступ к этим пулам может быть получен только в привилегированном режиме работы процессора, в котором работают компоненты операционной системы. Поэтому для того, чтобы объекты, хранящиеся в пулах, стали видимы потокам приложений, эти потоки должны переключиться в привилегированный режим.
Перемещаемый или нерезидентный пул (paged pool) содержит объекты, которые могут быть при необходимости выгружены на диск.
Неперемещаемый или резидентный пул (nonpaged pool) содержит объекты, которые должны постоянно находиться в памяти. В частности, к такого рода объектам относятся структуры данных, используемые процедурами обработки прерываний, а также структуры, используемые для предотвращения конфликтов в мультипроцессорных системах.
Исходный размер пулов определяется объемом физической памяти, доступной Windows NT. В последствии размер пула устанавливается динамически и в зависимости от работающих в системе приложений и сервисов будет изменяться в широком диапазоне.
Вся виртуальная память в Windows NT подразделяется на классы: зарезервированную (reserved), выделенную (committed) и доступную (available).
Зарезервированная память представляет собой набор непрерывных адресов, которые диспетчер виртуальной памяти (VMM) выделяет для процесса, но не учитывает в общей квоте памяти процесса до тех пор, пока она не будет фактически использована. Когда процессу требуется выполнить запись в память, ему выделяется нужный объем из зарезервированной памяти. Если процессу потребуется больший объем памяти, то дополнительная память может быть одновременно зарезервирована и использована, если в системе имеется доступная память
Память выделена, если диспетчер VMM резервирует для нее место в файле Pagefile.sys на тот случай, когда потребуется выгрузить содержимое памяти на диск. Объем выделенной памяти процесса характеризует фактически потребляемый им объем памяти. Выделенная память ограничивается размером файла подкачки. Предельный объем выделенной памяти в системе (commit limit) определяется тем, какой объем памяти можно выделить процессам без увеличения размеров файла подкачки. Если в системе имеется достаточный объем дискового пространства, то файл подкачки может быть увеличен и тем самым будет расширен предельный объем выделенной памяти.
Вся память, которая не является ни выделенной, ни зарезервированной, является доступной.
К доступной относится
свободная память,
обнуленная память (освобожденная и заполненная нулями),
а также память, находящаяся в списке ожидания (standby list), которая была удалена из рабочего набора процесса, но может быть затребована вновь.