Виртуальная и реальная память

Мультипрограммирование будет эффективным только в том случае, когда несколько процессов одновременно находятся в оперативной памяти, тогда переключение процессов не требует значительного перемещения данных между оперативной и внешней памятью. Но тогда на ОС возлагается задача распределения оперативной памяти между процессами и защиты памяти, которая выделена процессу, от вмешательства другого процесса. Таким образом, память является одним из важнейших ресурсов системы, и от эффективности функционирования менеджера этого ресурса в значительной степени зависят показатели эффективности всей системы в целом.

Процессор обрабатывает данные, которые находятся в оперативной памяти, и процессы размещают свои коды и данные в адресном пространстве, которое они рассматривают, как пространство оперативной памяти. В очень редких случаях программист задает при разработке программы реальные адреса в оперативной памяти, в большинстве же случаев между программистом и средой выполнения его программы стоит тот или иной аппарат преобразования адресов. В общем случае то адресное пространство, в котором пишется программа, называется виртуальною памятью, в отличие от реальной или физической памяти - в которой происходит выполнение программы (процесса). Работу с памятью можно представить в виде трех функций преобразования, которые показаны на Рисунке 3.1.

Рис.3.1. Функции управления памятью

Функция именования производит отображение точки из пространства имен программы в пространство адресов в виртуальной памяти, иными словами - переводит символьные имена, используемые программистом, в виртуальные адреса.

Функция привязки производит отображение точки из пространства виртуальных адресов в пространство реальных адресов, то есть, переводит виртуальные адреса в адреса физических ячеек памяти.

Функция выборки отображает точку из пространства реальных адресов в значение, то есть, выбирает содержимое памяти по заданному адресу.

Функция именования реализуется по большей части обслуживающими программами, мы рассматриваем ее в следующей главе.
Функция выборки всегда реализуется аппаратно. В данной главе нас будет интересовать прежде всего функция привязки адресов. Относительно нее конструктором ОС должен быть решен основной вопрос: на каком этапе подготовки/выполнения программы ее выполнять?

Программист может писать программу, сразу привязывая ее к заведомо известным адресам физической памяти, - это называется программированием в абсолютных адресах. Такое программирование выполняется в специфических случаях, например, для программ, записываемых в ПЗУ. Даже в таких случаях программист часто пользуется символическими именами, возлагая задачу перевода имен в физические адреса на транслятор. Полученная таким образом программа называется абсолютной или неперемещаемой. Она может выполняться только, будучи загруженной по определенному адресу оперативной памяти.

Все прикладные программы и подавляющее большинство системных программ являются перемещаемыми. Это значит, что в программе, подготовленной к выполнению (в том образе программы, который хранится на внешней памяти), обращения к памяти настроены на виртуальные адреса, не привязанные пока к адресам реальной памяти.

Выполнение функции привязки адресов может быть перенесено на этап загрузки. Простейшим вариантом такой системы трансляции является тот, в котором виртуальный адрес представляет собой смещение относительно начала программы, а при загрузке программы в память ко всем виртуальным адресам прибавляется начальный адрес области, в которую программа загружена. Другой вариант - виртуальная адресация производится относительно содержимого некоторого базового регистра, в который при загрузке заносится базовый адрес. Программы, подготовленные таким образом, называются перемещаемыми при загрузке - они могут быть загружены в любую область оперативной памяти, но после загрузки должны оставаться на том же месте в памяти.

Наконец, привязка адресов может делаться уже на этапе выполнения программы. Программа (процесс) обращается к памяти только по виртуальным адресам, а перевод виртуального адреса в реальный производится только при обращении по этому адресу.

Между двумя обращениями по одному и тому же виртуальному адресу процесс может быть перемещен операционной системой в другую область реальной памяти. Системные средства, ответственные за привязку адресов, будут "знать" о произведенном перемещении и при втором обращении привяжут тот же виртуальный адрес к новому реальному адресу. Поскольку виртуальный адрес не изменился, то перемещение оказалось совершенно прозрачным для процесса, такие процессы называются перемещаемыми динамически. При такой трансляции адресов привязка выполняется при каждом обращении к памяти, то есть, очень часто. Поэтому естественным решением является выполнение этой функции на аппаратном уровне. Аппаратура переводит виртуальные адреса в реальные, используя некоторые таблицы трансляции. Подготовка таблиц трансляции адресов - операция, выполняемая для процесса одноразово, модификация их производится также нечасто (при перемещении процесса), поэтому задача формирования и модификации таблиц трансляции возлагается на ОС.

Отметим, что иногда виртуальной памятью называют именно эти свойства аппаратуры вычислительной системы и вытекающие из них возможности для процессов работать с виртуальным адресным пространством большего размера, чем размер имеющейся в системе реальной памяти. Мы же следуем более широкой интерпретации [13]: виртуальная память это то адресное пространство, в котором разрабатывается процесс. Такое понимание соответствует определению ОС "с точки зрения пользователя", которое мы дали в разделе 1.4. В данном случае ОС скрывает от процесса организацию низкоуровневого ресурса (реальной памяти) и конструирует ресурс более высокого уровня (виртуальная память), более удобный в обращении. Такая интерпретация не принимает во внимание, на каком этапе - загрузки или выполнения - производится трансляция адресов, и имеется ли в системе аппаратная поддержка этой трансляции. В частном случае размер виртуальной памяти может быть и меньше реальной.

Разработка программ, работающих в виртуальном адресном пространстве, имеет целый ряд преимуществ, которые можно сгруппировать по трем основным направлениям.

Удобство для программиста. Программист имеет в своем распоряжении виртуальную память, представляющую собой адресное пространство либо совершенно плоское - с адресами, линейно возрастающими от 0 до максимального значения, либо сегментированное в соответствии с потребностями задачи. При этом он не заботится о том, как будет размещен его процесс в реальной памяти, ОС может отобразить виртуальную память в реальную даже таким образом, что смежные участки виртуального адресного пространства будут отображаться в несмежные участки реальной памяти. Каждый процесс разрабатывается в собственном адресном пространстве, независимом от пространств других процессов.
Реорганизация памяти. Системные средства управления памятью могут выбрать такое отображение виртуальной памяти в реальную, которое обеспечит максимально эффективное использование ресурса реальной памяти. В случае, когда обеспечивается динамическая трансляция адресов, реорганизация ресурса реальной памяти может производиться и в ходе выполнения процесса, причем совершенно прозрачно для последнего.
Защита. Процесс никак не может обратиться за пределы своего виртуального адресного пространства. Если ОС обеспечивает отображение таким образом, что виртуальные пространства двух любых процессов не могут перекрывать друг друга в реальной памяти, то никакой процесс не будет иметь доступа к адресному пространству другого процесса.

При наличии аппаратной поддержки системы виртуальной памяти позволяют работать с виртуальными адресными пространствами, размер которых превышает доступный размер оперативной памяти. Это достигается за счет хранения части программ и данных на внешней (дисковой) памяти и управления миграцией данных между оперативной и внешней памятью. Современные вычислительные системы следуют тенденции вводить кэширование между двумя этими уровнями памяти. В ОС Unix, например, тотальное кэширование обеспечивается самой ОС для любого обмена с дисками, следовательно, работает оно и для данных, перемещаемых при управлении памятью.

В вычислительных системах ESA имеется два аппаратных промежуточных уровня памяти: расширенная память, которая включается в пространство реальных адресов, но используется только как буфер обмена и собственная буферная память дискового запоминающего устройства. (Расширенная память, может быть выполнена как на тех же элементах, что и основная оперативная память, так и на специальных - не столь быстродействующих, но дешевых).

Многоуровневая память строится обычно по иерархическому принципу. Это означает, что для каждого следующего уровня время доступа больше, чем для предыдущего: t[i] > t[i-1], и объем больше: V[i] > V[i-1]. Последнее обстоятельство делает возможным дублирование информации на уровнях: если данные имеются на i-ом уровне, то их копии сохраняются и на всех уровнях с большими номерами. Обозначим через h[i] отношение присутствия - вероятность того, что данные, запрошенные на i-ом уровне памяти, уже имеются на этом уровне. Если мы имеем n уровней памяти, то для n-го уровня отношение присутствия равно 1 и среднее время доступа tav[n] совпадает с t[n]. Для всех уровней с меньшими номерами среднее время доступа может быть определено рекурсивно:

tav[i] = h[i] * t[i] + ( 1 - h[i] ) * tav[i-1].

На программном уровне мы не можем воздействовать ни на t[i], ни на V[i], которое в значительной степени определяет и h[i]. Но мы можем влиять на величину h[i], выбирая для хранения на уровне с меньшим номерам только те данные, обращение к которым производится наиболее часто.

В общем случае проектирование менеджера памяти в составе ОС требует выбора трех основных стратегий:

стратегии размещения: какую область реальной памяти выделить процессу? как вести учет свободной/занятой реальной памяти?
стратегии подкачки: когда размещать процесс (или часть его) в реальной памяти?
стратегии вытеснения: если реальной памяти не хватает для удовлетворения очередного запроса, то у какого процесса отобрать ранее выделенный ресурс реальной памяти (или часть его)?

Ниже мы рассмотрим способы реализации этих стратегий для различных моделей памяти.Порядок рассмотрения будет соответствовать принципу "от простого к сложному" и в основном отображать также и историческое развитие моделей памяти:

фиксированные разделы - модель, не использующая аппаратную трансляцию адресов;
односегментная виртуальная память - развитие фиксированных разделов для аппаратной трансляции адресов.
модели виртуальной памяти, использующие развитые средства аппаратной трансляции адресов;
- многосегментная;
- страничная;
- комбинированная сегментно-страничная.
модели виртуальной памяти, представляющие собой возврат к простым моделям, но на более высоком уровне:
- плоская;
- одноуровневая.
Содержание раздела