Организация виртуальной памяти

Страничное преобразование

Виртуальная память в Windows NT имеет страничную организацию, принятую во многих современных операционных системах. В общем виде схема страничной организации описывается следующим образом: линейный адрес разбивается на несколько частей. Старшая часть адреса содержит в себе номер элемента в корневой таблице. Этот элемент содержит адрес таблицы следующего уровня. Следующая часть линейного адреса содержит номер элемента уже в этой таблице и так далее, до последней таблицы, которая содержит номер физической страницы. А самая младшая часть адреса уже является номером байта в этой физической странице.

Каждый процесс Windows NT имеет свой отдельный каталог страниц и свое собственное независимое адресное пространство, что очень хорошо с точки зрения защиты процессов друг от друга. Но за это удовольствие приходится платить ресурсами. Независимым процессам почти всегда приходится обмениваться информацией друг с другом. Windows NT предоставляет большое количество способов обмена, в том числе и при OLE. Но все они имеют в основе одно и то же действие: один процесс пишет нечто в некоторую ячейку памяти, а другой из нее читает. Это означает, что должны быть участки памяти, доступные разным процессам. На первый взгляд, это не проблема - могут же различные PTE (Page Table Element) ссылаться на одну и ту же страницу. Однако в каждом PTE хранятся атрибуты страницы, а ссылка на страницу со стороны PTE делается только в одну сторону. Это означает, что при изменении какого-либо атрибута в одном из PTE невозможно сделать то же самое для всех других PTE, ссылающихся на ту же страницу. Именно поэтому для совместно используемых страниц применяется механизм прототипов элементов таблицы страниц (Prototype Page Table Entry). Для совместно используемых страниц создается прототип PTE, который и содержит актуальные атрибуты страницы. Все PTE, принадлежащие различным процессам, ссылаются не на саму страницу, а на этот прототип, атрибуты которого и являются актуальными

Адресное пространство процесса

В Windows NT используется плоская (flat) модель памяти. Каждому процессу выделяется " личное" изолированное адресное пространство. На 32-разрядных компьютерах размер этого пространства составляет 4 Гбайт и может быть расширен до 32 Гбайт при работе Windows NT 5.0 на процессоре Alpha. Это пространство разбивается на регионы, различные для разных версий системы (рис. 5).

В Windows NT 4.0 младшие 2 Гбайт памяти выделяются процессу для произвольного использования, а старшие 2 Гбайт резервируются и используются операционной системой. В младшую часть адресного пространства помещаются и некоторые системные динамически связываемые библиотеки (DLL). Желание расширить доступное процессу адресное пространство привело к тому, что Windows NT 4.0 Enterprise процессу выделяется дополнительный 1 Гбайт за счет сокращения системной области (рис. 5).

Разработчики Windows NT 5.0 для платформы Alpha пошли дальше. Alpha - 64-разрядный процессор, но под управлением Windows NT версии до 4.0 включительно в его адресном пространстве используются только 2 Гбайт старших и 2 Гбайт младших адресов (рис. 5).

Дело в том, что в Win32 API для хранения адреса используются 32-разрядные переменные. Windows NT расширяет их до 64-разрядных с учетом знака. Спецификация VLM (Very Large Memory), которая будет реализована в Windows NT 5.0 для процессора Alpha, подразумевает использование 64-разрядных переменных для хранения адресов (рис. 5).

Если системе, которую вы разрабатываете, недостаточно для работы 32 Гбайт физической памяти, то, вероятно, вам стоит выбрать другую операционную систему. Если же вы готовы потесниться и произвести некоторую оптимизацию своего кода, то, возможно, вам подойдет и Windows NT.

Свопинг

Конечно, компьютер может и не иметь 4 Гбайт оперативной памяти, адресуемых процессорами Intel для того, чтобы обеспечить все линейное адресное пространство процесса физическими ячейками памяти. Windows NT, как и все другие операционные системы, применяет свопинг (swapping). Не используемые в конкретный момент страницы памяти могут быть вытеснены на диск в так называемый файл подкачки. В соответствующем элементе таблицы страниц эта страница помечается как отсутствующая, и при попытке обращения к ней возникает исключительная ситуация - " сбой" страницы. Обрабатывая ее, операционная система находит страницу на диске и переписывает ее в память, соответствующим образом подстраивая элемент таблицы страниц. После этого попытка выполнить команду, вызвавшую исключение, повторяется.

С понятием свопинга неразрывно связаны три стратегии: выборка (fetch), размещение (placement) и замещение (replacement).

Выборка определяет, в какой момент необходимо переписать страницу с диска в память. В Windows NT используется классическая схема выборки с упреждением: система переписывает в память не только выбранную страницу, но и несколько следующих по принципу пространственной локальности, гласящему: наиболее вероятным является обращение к тем ячейкам памяти, которые находятся в непосредственной близости от ячейки, к которой производится обращение в настоящий момент. Поэтому вероятность того, что будут востребованы последовательные страницы, достаточна высока. Их упреждающая подкачка позволяет снизить накладные расходы, связанные с обработкой прерываний.

Размещение определяет, в какое место оперативной памяти необходимо поместить подгружаемую страницу. Для систем со страничной организацией данная стратегия практически не имеет никакого значения, и поэтому Windows NT выбирает первую попавшуюся свободную страницу.

Замещение начинает действовать с того момента, когда в оперативной памяти компьютера не остается свободного места для размещения подгружаемой страницы. В этом случае необходимо решить, какую страницу вытеснить из физической памяти в файл подкачки. Можно было бы отделаться общими словами [6], сказав, что в данном случае Windows NT использует алгоритм FIFO: вытесняется страница, загруженная раньше всех, т. е. самая " старая". Однако механизм замещения настолько интересен, что заслуживает более пристального внимания, и мы еще расскажем о нем.