Общее описание виртуальной сегментно-страничной памяти ОС Windows

Размер пользовательского процесса ограничен объемом логического адресного пространства. Характерный размер логической памяти определяется разрядностью архитектуры и составляет для современных систем 232(в недалеком будущем 264) байт. Эта величина обычно существенно превышает объем оперативной памяти, поэтому часть пользовательского процесса прозрачным образом может быть размещена во внешней памяти. Поэтому у пользователя создается иллюзия того, что он имеет дело с виртуальной памятью, отличной от реальной, размер которой потенциально больше, чем размер оперативной памяти. В дальнейшем наряду с термином "логическая память" будет употребляться термин "виртуальная память".

Для определения схемы виртуальной памяти, реализованной в ОС Windows, лучше всего подходит термин "сегментно-страничная виртуальная память". Подробное описание сегментно-страничной модели можно найти в [2]. Для нее характерно представление адресного пространства процесса в виде набора сегментов переменного размера, содержащих однородную информацию (данные, текст программы, стек, сегмент разделяемой памяти и др.). Для удобства отображения на физическую память каждый сегмент делится на страницы - блоки фиксированного размера, при этом физическая память делится на блоки того же размера - страничные кадры (фреймы). Функция связывания логического адреса с физическим возлагается на таблицу страниц, которая каждой логической странице сегмента ставит в соответствие страничный кадр. В тех случаях, когда для нужной страницы не находится места в оперативной памяти (page fault), она подкачивается с диска. Заметим, что в каноническом виде данной схемы каждый сегмент процесса находится в отдельном логическом адресном пространстве и использует свою собственную таблицу страниц. Последнее обстоятельство, в силу сложной организации и большого объема таблицы страниц, имеет следствием тот факт, что реальные системы редко придерживаются канонической формы.

Сегментно-страничная модель памяти, реализованная в ОС Windows, также имеет свою специфику. Например, аппаратная поддержка сегментации, предлагаемая архитектурой Intel, используется в минимальной степени, а такие фрагменты адресного пространства процесса, как код, данные и др., описываются при помощи специальных структур данных и называются регионами (regions).

Одна из задач, которая решается при этом, - избежать появления в системе большого количества таблиц страниц за счет организации неперекрывающихся регионов в одном виртуальном пространстве, для описания которого хватает одной таблицы страниц. Таким образом, одна таблица страниц будет отводиться для всех сегментов памяти процесса. То, как это делается можно увидеть на рис. 9.3. Задействовано всего четыре аппаратных сегмента с номерами селекторов 08, 10, 1b и 23. Первый используется для адресации кода ОС и имеет атрибуты RE, второй с атрибутами RW - для данных и стека ОС, третий с атрибутами RE - для кода пользовательского процесса, а четвертый с атрибутами RW - для данных и стека пользовательского процесса. Первые два сегмента недоступны для непривилегированного режима работы процессора.

При этом все организовано так, чтобы используемые виртуальные адреса внутри сегментов не перекрывались. В результате получается плоское 32-разрядное пространство, отображаемое на физическую память при помощи одной двухуровневой таблицы страниц.

Рис. 9.3. Образование неперекрывающихся регионов (программных сегментов) в линейном виртуальном адресном пространстве процесса

Любопытно, что наличие у аппаратного сегмента атрибута не является препятствием для нецелевого использования хранимой в сегменте информации. Например, код процесса, находящийся в сегменте 1b, может быть доступен через 23-й сегмент с атрибутами RW. Собственно защита регионов организована на уровне их описателей, которые хранятся в таблице описателей VAD (virtual address descriptors) в адресном пространстве процесса. Таким образом, аппаратная поддержка сегментации обеспечивает лишь минимальную защиту - невозможность доступа к данным ОС из непривилегированного режима. Можно сказать, что в ОС Windows осуществляется программная поддержка сегментации (в данном случае регионов). Между прочим, многие другие ОС (например, Linux) ведут себя аналогично. Программная поддержка сегментов более универсальна и способствует большей переносимости кода. В дальнейшем для обозначения непрерывного фрагмента виртуального адресного пространства, содержащего однородную информацию, будет использоваться термин "регион".

Таблица страниц ставит в соответствие виртуальной странице номер страничного кадра в оперативной памяти. Для описания совокупности занятых и свободных страничных кадров ОС Windows использует базу данных PFN (page frame number). В силу несоответствия размеров виртуальной и оперативной памяти достаточно типичной является ситуация отсутствия нужной страницы в оперативной памяти (page fault). К счастью, копии всех задействованных виртуальных страниц хранятся на диске (так называемые теневые страницы). В случае обращения к отсутствующей странице ОС должна разыскать соответствующую теневую страницу и организовать ее подкачку с диска.

Учет совокупности теневых страниц сопряжен с трудностями, которые обусловлены разреженностью используемых виртуальных адресов. Так, например, неизменяемые страницы кода программы берутся непосредственно из выполняемых файлов (техника - отображение файла, содержащего код программы, в память). Страницы, подверженные изменениям, периодически записываются в специальные файлы выгрузки.

Таким образом, деятельность системы управления памятью сводится к созданию регионов (программных сегментов) в виртуальном адресном пространстве, выделения для них места в физической памяти (частично в оперативной памяти и частично на диске) и прозрачное перенаправление обращений к виртуальным адресам к их аналогам в физической памяти. Регионы создаются операционной системой. Иногда это происходит по инициативе пользовательской программы (например, в результате вызова функций VirtualAlloc, CreateFileMapping, CreateHeap и др.). Существенная часть деятельности менеджера памяти связана с оптимизацией. В частности, много усилий затрачивается на сокращение количества обращений к внешней памяти

Перейдем теперь к более детальному рассмотрению описанной схемы. Вначале изучим виртуальное адресное пространство процесса, затем посмотрим, как ключевая информация размещается в физической памяти. Проблема связывания адресов решается, главным образом, за счет аппаратных средств архитектуры, поэтому эти вопросы будут затрагиваться по мере необходимости.