Лекция 9. Введение. Виртуальное адресное пространство процесса

Система управления памятью является одной из наиболее важных в составе ОС. Традиционная схема предполагает связывание виртуального и физического адресов на стадии исполнения программы. Для управления виртуальным адресным пространством в нем принято организовывать сегменты (регионы), для описания которых используются структуры данных VAD (Virtual Address Descriptors). Для создания региона и передачи ему физической памяти можно использовать функцию VirtualAlloc. Описана техника использования таких регионов, как куча процесса, стек потока и регион файла, отображаемого в память

Введение

В компьютерах фон-неймановской архитектуры выполняемые программы вместе с обрабатываемыми ими данными должны находиться в оперативной памяти. Операционной системе приходится заниматься управлением памятью, то есть решать задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС. Часть ОС, которая отвечает за управление памятью, называется менеджером памяти.

Для описания системы управления памятью активно используются понятия физической и логической (виртуальной) памяти.

Физическая память является аппаратным запоминающим устройством компьютера. Менеджер памяти имеет дело с двумя уровнями физической памяти: оперативной (основной, первичной) и внешней, или вторичной. Оперативная память изготавливается с применением полупроводниковых технологий и теряет свое содержимое при отключении питания. Вторичная память (это, главным образом, диски) характеризуется гораздо более медленным доступом, однако имеет большую емкость и является энергонезависимой. Она используется в качестве расширения основной памяти. Обычно информация, хранимая в оперативной памяти, за исключением самых последних изменений, хранится также во внешней памяти. Если процессор не обнаруживает нужную информацию в оперативной памяти, он начинает искать ее во вторичной. Когда нужная информация найдена во внешней памяти, она переносится в оперативную память. Менеджер памяти старается по возможности снизить частоту обращений к вторичной памяти (свойство локальности или локализации обращений). В результате эффективное время доступа к памяти оказывается близким к времени доступа к оперативной памяти и составляет несколько десятков наносекунд.

Оперативная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Типовые операции - чтение и запись байта в ячейку с нужным номером. Обмен с внешней памятью обычно осуществляется блоками фиксированного размера. Совокупность адресов в физической памяти называется физическим адресным пространством.

К сожалению, многие термины, относящиеся к системе управления памятью, как и в информатике вообще, перегружены. Поэтому в дальнейшем термин "физическая память" будет относиться именно к оперативной памяти, а использование внешней памяти (дисковой, файлов выгрузки) будет оговариваться отдельно.

Логическая память - абстракция, отражающая взгляд пользователя на то, как организованы его программы и хранятся данные. С точки зрения пользователя его выполняемая программа (процесс) представляет собой совокупность блоков переменного размера, содержащих однородную информацию (данные, код, стек и т.д.). Обычно такие модули называют сегментами (см. рис. 9.1). Адрес при этом перестает быть линейным и состоит из нескольких компонентов, например, номера сегмента и смещения внутри сегмента. Кроме того, с сегментами принято связывать атрибуты: права доступа или типы операций, которые разрешается производить с данными, хранящимися в сегменте.

Рис. 9.1. Расположение сегментов процессов в памяти компьютера

Логические адреса внутри сегментов могут быть сформированы на этапе компиляции. При этом символические имена связываются с перемещаемыми адресами (такими, как n байт от начала модуля). Другим примером логического адреса может быть адрес, полученный программой в результате операции выделения области памяти (allocation). Иногда говорят, что логический адрес - это адрес, который генерирует процессор. Совокупность всех логических адресов называется логическим (виртуальным) адресным пространством.

Связывание адресов

Будучи виртуальной (абстрактной) машиной, ОС должна привести в соответствие взгляд пользователя на организацию его программы с реальным хранением информации в физической памяти. Эта проблема традиционно называется проблемой связывания логического и физического адресов (см. рис. 9.2). Также употребляются термины привязка адреса, трансляция адреса, разрешение адреса и т.д. В ОС Windows это делается на этапе выполнения, то есть в момент обращения к логическому адресу менеджер памяти находит его визави в физической памяти.

Рис. 9.2. Формирование логического адреса и связывание логического адреса с физическим

В современных вычислительных системах типичной является ситуация, когда объем логической памяти существенно превышает объем оперативной. В этом случае логический адрес может быть связан с адресом во внешней памяти.

Рассмотрим теперь алгоритмы и структуры данных, используемые для описания логической и физической памяти ОС Windows, а также применяемую схему связывания адресов. В каком-то смысле виртуальная память представляет собой интерфейс системы управления памятью, а ее отображение в физическую память и управление физической памятью относятся к особенностям реализации.