Память и отображения, виртуальное адресное пространство

Если не принимать во внимание программирование на машинном языке (эта технология практически не используется уже очень давно), то можно сказать, что программист обращается к памяти с помощью некоторого набора логичес­ких имен, которые чаще всего являются символьными, а не числовыми, и для которого отсутствует отношение порядка. Другими словами, в общем случае множество переменных в программе не упорядочено, хотя отдельные перемен­ные могут иметь частичную упорядоченность (например, элементы массива). Имена переменных и «входных точек программных модулей составляют про­странство символьных имен. Иногда это адресное пространство называют ло-гическим.

С другой стороны, при выполнении программы мы имеем дело с физической опе­ративной памятью, собственно с которой и работает процессор, извлекая из нее команды и данные и помещая в нее результаты вычислений. Физическая память представляет собой упорядоченное множество ячеек реально существующей опе­ративной памяти, и все они пронумерованы, то есть к каждой из них можно обра­титься, указав ее порядковый номер (адрес). Количество ячеек физической памя­ти ограниченно и фиксированно.

Системное программное обеспечение должно связать каждое указанное пользо­вателем символьное имя с физической ячейкой памяти, то есть осуществить ото­бражение пространства имен на физическую память компьютера. В общем слу­чае это отображение осуществляется в два этапа (рис. 3.1): сначала системой программирования, а затем операционной системой. Это второе отображение осу­ществляется с помощью соответствующих аппаратных средств процессора — подсистемы управления памятью, которая использует дополнительную инфор­мацию, подготавливаемую и обрабатываемую операционной системой. Между этими этапами обращения к Памяти имеют форму виртуального адреса. При этом можно сказать, что множество всех допустимых значений виртуального адреса для некоторой программы определяет ее виртуальное адресное пространство, или виртуальную память. Виртуальное адресное пространство программы зави­сит; прежде всего, от архитектуры процессора и от системы программирования и практически не зависит от объема реальной физической памяти компьютера. Можно еще сказать, что адреса команд и переменных в машинной программе, подготовленной к выполнению системой программирования, как раз и являются виртуальными адресами.

Как мы знаем, система программирования осуществляет трансляцию и компонов­ку программы, используя библиотечные программные модули. В результате рабо­ты системы программирования полученные виртуальные адреса могут иметь как двоичную форму, так и символьно-двоичную. Это означает, что некоторые про­граммные модули (их, как правило, большинство) и их переменные получают ка-

74_____________________ Глава 3. Управление памятью в операционных системах

кие-то числовые значения, а те модули, адреса для которых пока не могут быть определены, имеют по-прежнему символьную форму, и их окончательная привяз­ка к физическим ячейкам будет осуществлена на этапе загрузки программы в па­мять перед ее непосредственным выполнением.

Рис. 3.1. Память и отображения

Одним из частных случаев отображения пространства символьных имен на физи­ческую память является полная тождественность виртуального адресного простран­ства физической памяти. При этом нет необходимости осуществлять второе ото-

Память и отображения, виртуальное адресное пространство____________________ 75

бражение. В таком случае говорят, что система программирования генерирует аб­солютную двоичную программу; в этой программе все двоичные адреса таковы, что программа может исполняться только тогда, когда ее виртуальные адреса будут точно соответствовать физическим. Часть программных модулей любой операци­онной системы обязательно должна быть абсолютными двоичными программами. Эти программы размещаются по фиксированным адресам физической памяти, и с их помощью уже можно впоследствии реализовывать размещение остальных программ, подготовленных системой программирования таким образом, что они могут работать на различных физических адресах (то есть на тех адресах, на кото­рые их разместит операционная система). В качестве примера таких программ можно назвать программы загрузки операционной системы. Другим частным случаем этой общей схемы трансляции адресного пространства является тождественность виртуального адресного пространства исходному логи­ческому пространству имен. Здесь уже отображение выполняется самой операци­онной системой, которая во время исполнения использует таблицу символьных имен. Такая схема отображения используется чрезвычайно редко, так как отобра­жение имен на адреса необходимо выполнять для каждого вхождения имени (каж­дого нового имени), и особенно много времени тратится на квалификацию имен. Данную схему можно было встретить в интерпретаторах, в которых стадии транс­ляции и исполнения практически неразличимы. Это характерно для простейших компьютерных систем, в которых вместо операционной системы использовался встроенный интерпретатор (например, Basic).

Возможны и промежуточные варианты. В простейшем случае транслятор-компиля­тор генерирует относительные адреса, которые, по сути, являются виртуальными адресами, с последующей настройкой программы на один из непрерывных разде­лов. Второе отображение осуществляется перемещающим загрузчиком. После за­грузки программы виртуальный адрес теряется, и доступ выполняется непосред­ственно к физическим ячейкам. Более эффективное решение достигается в том случае, когда транслятор вырабатывает в качестве виртуального адреса относитель­ный адрес и информацию о начальном адресе, а процессор, используя подготавлива­емую операционной системой адресную информацию, выполняет второе отображе­ние не один раз (при загрузке программы), а при каждом обращении к памяти. Термин виртуальная память фактически относится к системам, которые сохраня­ют виртуальные адреса во время исполнения. Так как второе отображение осуще­ствляется в процессе исполнения задачи, то адреса физических ячеек могут изме­няться. При правильном применении такие изменения улучшают использование памяти, избавляя программиста от деталей управления ею, и даже повышают на­дежность вычислений.

Если рассматривать общую схему двухэтапного отображения адресов, то с пози­ции соотношения объемов упомянутых адресных пространств можно отметить наличие следующих трех ситуаций:

- объем виртуального адресного пространства программы V_v меньше объема фи­зической памяти Vp (V_v < Vp);

- объем виртуального адресного пространства программы V_v равен объему фи­зической памяти V_p (V_v = V_p);

76____________________ Глава 3. Управление памятью в операционных системах

□ объем виртуального адресного пространства программы V_v больше объема фи­
зической памяти Vp (V_v > Vp).

Первая ситуация (V_v < V_p) ныне практически не встречается, но, тем не менее, Это реальное соотношение. Скажем, не так давно 16-разрядные мини-ЭВМ имели систе­му команд, в которых пользователи-программисты могли адресовать до 2¹⁶ = 64 Кбайт адресов (обычно в качестве адресуемой единицы выступала ячейка памяти разме­ром с байт). А физически старшие модели этих мини-ЭВМ могли иметь объем опе­ративной памяти в несколько мегабайтов. Обращение к памяти столь большого объема осуществлялось с помощью специальных регистров, содержимое которых складывалось с адресом операнда (или команды), извлекаемым из поля операнда или указателя команды (и/или определяемым по значению поля операнда или ука­зателя команды). Соответствующие значения в эти специальные регистры, высту­пающие как базовое смещение в памяти, заносила операционная система. Для од- ■ ной задачи в регистр заносилось одно значение, а для второй (третьей, четвертой и т. д.) задачи, размещаемой одновременно с первой, но в другой области памяти, заносилось, соответственно, другое значение. Вся физическая память таким обра­зом разбивалась на разделы объемом по 64 Кбайт, и на каждый такой раздел осуще­ствлялось отображение своего виртуального адресного пространства. Вторая ситуация (V_v = V_p) встречается очень часто, особенно характерна она была для недорогих вычислительных комплексов. Для этого случая имеется большое количество методов распределения оперативной памяти.

Наконец, в наше время мы уже достигли того, что ситуация превышения объема виртуального адресного пространства программы над объемом физической памя­ти (V_v > V_p) характерна даже для персональных компьютеров, то есть для самых распространенных и недорогих машин. Теперь это самая обычная ситуация, и для нее имеется несколько методов распределения памяти, отличающихся как слож­ностью, так и эффективностью.