Виртуальная память в ОС Windows.

В основе всей системы управления памятью Windows лежит страничная система виртуальной памяти, встроенная в ядро ОС. Эта система позволяет приложениям использовать области памяти, размер которых значительно превышает объем физической памяти компьютера.

Операционная система Windows поддерживает сплошную (несегментированную) модель памяти. Каждому процессу предоставляется линейное адресное пространство размером до 4-х Гбайт. При этом область памяти размером 2 Гбайт с адресами 00000000H — 7FFFFFFFH предоставлена приложению, а оставшиеся 2 Гбайт зарезервированы для использования ОС. Адресные пространства всех запущенных приложений разделены. Такое разделение выполняется с помощью назначения приложениям индивидуальных наборов страниц виртуальной памяти. В результате для каждого приложения выполняется отображение линейных адресов в собственный набор страниц виртуальной памяти, не пересекающийся с набором страниц других приложений. Этим достигается выполнение функции защиты памяти, необходимой для обеспечения надежной многозадачной работы.

Каждая страница имеет свой дескриптор, который содержит всю необходимую информацию о странице. Дескриптор страницы имеет следующий формат, показанный на рис. 4:

Рис 4. Формат дескриптора страницы.

Устанавливая соответствующим образом биты защиты, операционная система может отметить страницу как доступную для чтения, чтения — записи, или как недоступную. При попытке выполнить обращение для выполнения операции с неразрешенным доступом возникает прерывание.

Операционная система Windows позволяет создать до 16 -ти отдельных файлов виртуальных страниц, расположенных на различных дисковых устройствах. Разряды 6 — 3 хранят номер файла страницы, в котором находится данная страница.

Состояние страницы идентифицируются разрядами 2 — 0. Страница может находиться в переходном состоянии, быть обновленной, но не сохраненной в памяти и быть загруженной в память. Если приложение пытается обратиться к виртуальной странице, которая не загружена в оперативную память, возникает аппаратное прерывание, и нужная страница автоматически загружается из соответствующего файла страниц (подкачивается в память).

В дополнение к информации о состоянии страницы, находящейся в дескрипторе, система управления виртуальной памятью хранит состояние страниц в базе данных страниц. В этой базе страница может быть отмечена как имеющая одно из следующих состояний:

• Свободная. Страница доступна для использования после заполнения ее нулями.
• Заполненная нулями. Страница свободна, заполнена нулями и доступна для использования приложениями.
• Правильная. Страница используется активным процессом.
• Измененная. Содержимое страницы было изменено, но страница еще не сохранена на диске в файле страниц (не откачена).
• Запасная. Страница удалена из текущего набора виртуальных страниц процесса.
• Плохая. Обращение к данной странице ведет к аппаратной ошибке.

Для работы с виртуальной памятью в программном интерфейсе Windows имеется набор соответствующих функций. Для резервирования и получения в свое распоряжение (назначения) виртуальной памяти служит функция VirtualAlloc, которая осуществляет выделение и назначение (при повторном обращении) желаемого объема виртуальной памяти с указанным типом доступа. Результатом работы этой функции является указатель на начало области виртуальной памяти (в случае успешного завершения). Виртуальная память освобождается после использования с помощью функции VirtualFree. Изменение типа доступа в процессе работы программы осуществляется с помощью функции VirtualProtect.

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

Виртуальная память (Операционные Системы)

Виртуальная память — метод управления памятью, которая реализуется с использованием аппаратного и программного обеспечения компьютера. Она отображает используемые программами виртуальные адреса в физические адреса в памяти компьютера. Основная память представляется в виде непрерывного адресного пространства или набора смежных непрерывных сегментов. Операционная система осуществляет управление виртуальными адресными пространствами и соотнесением оперативной памяти с виртуальной. Программное обеспечение в операционной системе может расширить эти возможности, чтобы обеспечить виртуальное адресное пространство, которое может превысить объем оперативной памяти и таким образом иметь больше памяти, чем есть в компьютере. Виртуальная память позволяет модифицировать ресурсы памяти, сделать объём оперативной памяти намного больше, для того чтобы пользователь, поместив туда как можно больше программ, реально сэкономил время и повысил эффективность своего труда. “Открытие” виртуальной памяти внесло огромную контрибуцию в развитие современных технологий, облегчило работу как профессионального программиста, так и обычного пользователя, обеспечивая процесс более эффективного решения задач на ЭВМ [1] .

Содержание

Преимущества виртуальной памяти

К основным преимуществам виртуальной памяти относят:

1. избавление программиста от необходимости управлять общим пространством памяти,
2. повышение безопасность использования программ за счет выделения памяти,
3. возможность иметь в распоряжении больше памяти, чем это может быть физически доступно на компьютере.

Свойства виртуальной памяти

Виртуальная память делает программирование приложений проще:

• скрывая фрагментацию физической памяти;
• устраняя необходимость в программе для обработки наложений в явном виде;
• когда каждый процесс запускается в своем собственном выделенном адресном пространстве, нет необходимости переместить код программы или получить доступ к памяти с относительной адресацией.

Виртуализация памяти может рассматриваться как обобщение понятия виртуальной памяти.

Почти все реализации виртуальной памяти делят виртуальное адресное пространство на страницы, блоки смежных адресов виртуальной памяти.

При работе машины с виртуальной памятью, используются методы страничной и сегментной организации памяти.

Страничная организация памяти

При страничной организации все ресурсы памяти, как оперативной, так и внешней представляются для пользователя единым целым. Пользователь работает с общим адресным пространством и не задумывается какая память при этом используется: оперативная или внешняя, а эта общая память носит название виртуальной (моделируемой). Виртуальная память разбивается на страницы, которые содержат определённое фиксированное количество ячеек памяти. При этом одна страница математической памяти не может быть больше или меньше других, все страницы должны быть одинаковы по количеству ячеек. Типичные размеры страниц 256, 512, 1024, 2048 Байт и более (числа кратные 256).

Преимущества виртуальной памяти со страничной организацией

• Достаточно большой объём прямо адресуемой памяти. Объем памяти может исчисляться сотнями мегабайт (и даже гигабайтами). Размер виртуальной памяти целиком зависит от объёма накопителя на [жестком] магнитном диске. Созданный SWAP файл размещается на диске и эмулирует оперативную память. При этом пользователь не задумывается о том куда будет помещен “кусок” его программы с которой он только что отработал.
• Программы пользователя могут размещаться в любых свободных страницах [2] .
• Повышает уровень мультипрограммной работы. С организацией виртуальной памяти со страничной организацией пользователь получил реальную возможность загружать в память большее количество программ для того чтобы машина обрабатывала программы сразу (в действительности процессор устанавливает приоритет для каждой программы, находящейся в памяти, и далее в соответствии с приоритетом выделяет определённое количество времени на реализацию каждой программы или команды.

Недостатки виртуальной памяти со страничной организацией

• Основным недостатком виртуальной памяти является то количество времени, которое машина тратит на обращение к внешней памяти. Извлечь необходимую информацию из ячеек оперативной памяти не представляет особого труда и больших затрат времени. Совсем иначе обстоит дело с диском: для того чтобы найти необходимую информацию, нужно сначала “раскрутить” диск, потом найти необходимую дорожку, в дорожке найти сектор, кластер, далее считать побитовую информацию в ОП. Все это требует времени и, порой если при методе случайного удаления страниц*, процессору понадобятся сразу несколько страниц, хранящихся во внешней памяти, большого времени. К сожалению, этот недостаток принадлежит к виду “неисправимых”.
• Наличие сверхоперативной памяти (СОП).

Сегментно-страничная организация виртуальной памяти

Данный метод организации виртуальной памяти направлен на сочетание достоинств страничного и сегментного методов управления памятью. В такой комбинированной системе адресное пространство пользователя разбивается на ряд сегментов по усмотрению программиста. Каждый сегмент в свою очередь разбивается на страницы фиксированного размера, равные странице физической памяти. С точки зрения программиста, логический адрес в этом случае состоит из номера сегмента и смещения в нем. Каждый сегмент представляет собой последовательность адресов от нуля до определённого максимального значения. Отличие сегмента от страницы состоит в том, что длинна сегмента может изменяться в процессе работы. Сегменты, как и любая структура виртуальной памяти, могут размещаться как в оперативной памяти, так и во внешней памяти (магнитных носителях). Виртуальная память с сегментно-страничной организацией функционирует подобно виртуальной памяти со страничной организацией: если требующийся на данный момент сегмент отсутствует в оперативной памяти, то при надобности работы с ним, он предварительно перемещается в ОП. Сегментно-страничная организация памяти требует более сложной аппаратурно-программной организации.

Таблицы страниц

Таблицы страниц используются для перевода виртуальных адресов в физические адреса, используемые аппаратными средствами для обработки инструкций; такое аппаратное обеспечение, который обрабатывает этот конкретный перевод часто называют блоком управления памятью. Каждая запись в таблице страниц держит флажок, указывающий, находится ли соответствующая страница в оперативной памяти или нет. Если она находится в оперативной памяти, запись в таблице страниц будет содержать реальный адрес памяти, где хранится страница [3] . Системы могут иметь как одну таблицу страниц для всей системы, так и отдельные таблицы страниц для каждого приложения и сегмента, деревья таблиц страниц для больших сегментов или некоторой их комбинации. Если есть только одна таблица страниц, различные приложения, работающие одновременно используют различные части одного диапазона виртуальных адресов. При наличии нескольких страниц или сегментов таблицы, есть несколько виртуальных адресных пространств и параллельных приложений с помощью отдельных таблиц страниц для перенаправления на другие реальные адреса.

Менеджер виртуальной памяти

Эта часть операционной системы создает и управляет таблицами страниц. Если оборудование выдает ошибку, Менеджер виртуальной памяти получает доступ к вторичному хранилищу, возвращает страницу, которая имеет виртуальный адрес, который привел к неисправности страницы, обновляет таблицы страниц, чтобы отразить физическое местоположение виртуального адреса и указывает механизм перевода для перезапуска запрос.

Когда вся физическая память уже используется, Менеджер виртуальной памяти должен освободить страницы в основном хранилище для хранения выгруженной страницы. Используется один из множества алгоритмов замещения наименее используемых страниц, чтобы освободить их.

Закрепленные страницы

Операционные системы имеют области памяти, которые никогда не применялись для вторичного хранения. Некоторые из них могут быть закреплены на короткие периоды времени, другие — длительных периодов времени, либо же постоянно.

Управление ОЗУ, виртуальной памятью, подкачками страниц и памятью в Windows

Исходная версия продукта: Windows 7 Пакет обновления 1, Windows Server 2012 R2
Исходный номер КБ: 2160852

Аннотация

В этой статье содержатся основные сведения о реализации виртуальной памяти в 32-битных версиях Windows.

В современных операционных системах, таких как Windows, приложения и многие системные процессы всегда ссылались на память с помощью адресов виртуальной памяти. Виртуальные адреса памяти автоматически преобразуются оборудованием в реальные (ОЗУ) адреса. Только основные части ядра операционной системы обходят этот перевод адресов и напрямую используют реальные адреса памяти.

Виртуальная память всегда используется, даже если объем памяти, требуемой для всех запущенных процессов, не превышает объем оперативной памяти, установленной в системе.

Процессы и адресные пространства

Всем процессам (например, исполняемым приложениям), работающим под 32-битными версиями Windows, назначены адреса виртуальной памяти (виртуальное адресное пространство), в диапазоне от 0 до 4 294 967 295 (2*32-1 = 4 ГБ), независимо от того, какой объем ОЗУ установлен на компьютере.

В конфигурации Windows по умолчанию 2 гигабайта (ГБ) этого виртуального адресного пространства предназначены для частного использования каждого процесса, а остальные 2 ГБ совместно используются всеми процессами и операционной системой. Как правило, приложения (например, Блокнот, Word, Excel и Acrobat Reader) используют только часть 2 ГБ частного адресного пространства. Операционная система назначает кадры страниц ОЗУ только используемым страницам виртуальной памяти.

Расширение физического адреса (PAE) — это функция 32-битной архитектуры Intel, которая расширяет адрес физической памяти (ОЗУ) до 36 битов. PAE не меняет размер виртуального адресного пространства (который остается на уровне 4 ГБ), а только объем фактической оперативной памяти, который может быть решен процессором.

Перевод между 32-битным адресом виртуальной памяти, используемым кодом, который работает в процессе, и 36-битным ОЗУ-адресом автоматически и прозрачно обрабатывается оборудованием компьютера в соответствии с таблицами перевода, которые поддерживаются операционной системой. Любая виртуальная страница памяти (32-битный адрес) может быть связана с любой физической страницей ОЗУ (36-битным адресом).

В следующем списке описывается, сколько ОЗУ поддерживается различными версиями и выпусками Windows (в мае 2010 г.):

Версия Windows	ОЗУ
Windows NT 4.0	4 ГБ
Windows 2000 Professional	4 ГБ
Windows 2000 Standard Server	4 ГБ
Windows 2000 Advanced Server	8 ГБ
Windows 2000 Datacenter Server	32 ГБ
Windows XP Professional	4 ГБ
Windows Server 2003 Web Edition	2 ГБ
Windows Server 2003 Standard Edition	4 ГБ
Windows Server 2003 Enterprise Edition	32 ГБ
Windows Server 2003 Datacenter Edition	64 ГБ
Windows Vista	4 ГБ
Windows Server 2008 Standard	4 ГБ
Windows Server 2008 Enterprise	64 ГБ
Windows Server 2008 Datacenter	64 ГБ
Windows 7	4 ГБ

Файл подкачки

ОЗУ — это ограниченный ресурс, тогда как в большинстве практических целей виртуальная память не ограничена. Может быть много процессов, каждый из которых имеет собственное 2 ГБ частного виртуального адресного пространства. Если память, используемая всеми существующими процессами, превышает объем доступной оперативной памяти, операционная система перемещает страницы (4 КБ) одного или более виртуальных адресных пространств на жесткий диск компьютера. Это освободит кадр ОЗУ для других видов использования. В системах Windows эти страницы с страницами хранятся в одном или Pagefile.sys файлах в корне раздела. В каждом разделе диска может быть один такой файл. Расположение и размер файла страницы настраиваются в свойствах системы (нажмите кнопку «Дополнительные»,«Производительность» и нажмите кнопку «Параметры»).

Пользователи часто задают вопрос о том, насколько большим должен быть этот pagefile? На этот вопрос не существует одного ответа, так как он зависит от объема установленной оперативной памяти и объема виртуальной памяти, требуемой для рабочей нагрузки. Если других сведений нет, то в качестве отправной точки является обычная рекомендация в 1,5 раза больше установленной оперативной памяти. В серверных системах обычно необходимо иметь достаточный объем оперативной памяти, чтобы не было нехватки и не использовался pagefile. В этих системах не может быть полезного предназначения для обслуживания большого pagefile. С другой стороны, если место на диске достаточно, то сохранение большого размера (например, в 1,5 раза больше установленного ОЗУ) не вызывает проблем, а также избавляет от необходимости беспокоиться о том, насколько большим будет размер ОЗУ.

Производительность, ограничения архитектуры и ОЗУ

В любой компьютерной системе по мере увеличения нагрузки (количества пользователей, объема работы) производительность снижается, но нелинейно. Любое увеличение нагрузки или спроса после определенного момента приводит к существенному снижению производительности. Это означает, что некоторым ресурсам не хватает ресурсов и они стали узким местом.

В определенный момент не удается увеличить ресурс, который находится в нехватке. Это означает, что достигнут предел архитектуры. Ниже lyly reported architectural limits in Windows include the following:

• 2 ГБ общего виртуального адресного пространства для системы (ядро)
• 2 ГБ частного виртуального адресного пространства на процесс (режим пользователя)
• 660 МБ системного хранилища PTE (Windows Server 2003 и более ранних версиях)
• 470 МБ хранилища пула страниц (Windows Server 2003 и более ранних версиях)
• 256 МБ невыгваряемого хранилища пула (Windows Server 2003 и более ранние версии)

Это относится в частности к Windows Server 2003, но также может применяться к Windows XP и Windows 2000. Однако в Windows Vista, Windows Server 2008 и Windows 7 не все эти архитектурные ограничения имеются. Ограничения на объем памяти пользователя и ядра (здесь цифры 1 и 2) одинаковы, но ресурсы ядра, такие как PTES и различные пулы памяти, являются динамическими. Эта новая функция позволяет использовать как страницную, так и невыгежную память. Это также позволяет PTES и пулу сеансов увеличиваться за пределы, которые были рассмотрены ранее, до того момента, когда все ядро исчерпано.

Часто найденные и кавычках:

На сервере терминалов до использования 4 ГБ ОЗУ будет использоваться 2 ГБ общего адресного пространства.

В некоторых случаях это может быть верно. Однако необходимо отслеживать систему, чтобы узнать, применимы ли они к конкретной системе. В некоторых случаях эти заявления являются выводами определенных Windows NT 4.0 или Windows 2000 и не обязательно применимы к Windows Server 2003. В Windows Server 2003 были внесены значительные изменения, чтобы снизить вероятность того, что эти архитектурные ограничения будут фактически достигнуто на практике. Например, некоторые процессы, которые находились в ядре, были перемещены в процессы без ядра, чтобы уменьшить объем памяти, используемый в общем виртуальном адресной области.

Мониторинг использования ОЗУ и виртуальной памяти

Системный монитор — это инструмент, который позволяет отслеживать производительность системы и определять местоположение узкого места. Чтобы запустить монитор производительности, нажмите кнопку «Начните», выберите «Панель управления»,«Администрирование» и дважды щелкните «Монитор производительности». Вот сводка по некоторым важным счетчикам и их сведениям:

Память, зафиксированные вбайтах: этот счетчик является показателем потребности в виртуальной памяти.

Здесь показано, сколько бытов было выделено процессами и на что операционная система зафиксирует кадр страницы ОЗУ или слот страницы в этом окле (или, возможно, и то, и другое). По мере того как размер фиксных данных превышает объем доступной оперативной памяти, увеличивается размер подкачка, а используемый размер подкачка также увеличивается. В определенный момент действия по разгонам начинают значительно влиять на производительность.

Процесс, рабочий набор, _Total: этот счетчик является показателем активного использования виртуальной памяти.

Этот счетчик показывает, сколько ОЗУ требуется для того, чтобы виртуальная память, используемая для всех процессов, была в оперативной памяти. Это значение всегда является кратным 4096, что является размером страницы, используемой в Windows. Так как потребность в виртуальной памяти выходит за пределы доступной оперативной памяти, операционная система настраивает объем виртуальной памяти процесса в рабочем наборе, чтобы оптимизировать доступное использование ОЗУ и свести к минимуму разгибание по сети.

Файл подкачка, используемый %pagefile: этот счетчик является показателем того, какая часть файла страниц фактически используется.

Этот счетчик используется для определения размера подкачка. Если этот счетчик достигает 100, то подкачка заполнена, и все будет работать. В зависимости от настояния рабочей нагрузки, возможно, необходимо, чтобы размер подкачка был достаточно большим, чтобы он использовался не более 50–075 процентов. Если используется большая часть подкачка, наличие более одного на разных физических дисках может повысить производительность.

Память, страницы/с: этот счетчик является одной из наиболее распространенных мер.

Высокое значение этого счетчика не обязательно означает, что узкое место производительности связано с нехваткой ОЗУ. Операционная система использует систему подкачки для других целей, кроме замены страниц из-за чрезмерного обязательства памяти.

Память, выходные данные страниц/с: этот счетчик показывает, сколько страниц виртуальной памяти было записано на страницу, чтобы освободить кадры страниц ОЗУ для других целей каждую секунду.

Это лучший счетчик для отслеживания, если вы подозреваете, что разгон является узким местом производительности. Даже если количество зафиксированных данных больше установленного ОЗУ, если в большинстве периодов времени значение выходных данных страниц в секунду низкое или нулевое, проблем с производительностью недостаточного объема ОЗУ не возникает.

Память, кэш-память, невыгкупаемая память пула, память, количество на странице пула, память, общее количество системных кодов, память, общее количествобайтов системного драйвера:

Сумма этих счетчиков является показателем того, сколько из 2 ГБ общей части виртуального адресного пространства размером 4 ГБ фактически используется. Используйте их, чтобы определить, достигает ли ваша система одного из ограничений архитектуры, которые были рассмотрены ранее.

Память, доступное МБайт: этот счетчик измеряет объем ОЗУ, доступный для удовлетворения требований к виртуальной памяти (либо для новых выделений, либо для восстановления страницы из подкачка).

Если ОЗУ не хватает (например, «Зафиксированные», больше установленного ОЗУ), операционная система попытается сохранить определенную часть установленной оперативной памяти доступной для немедленного использования путем копирования страниц виртуальной памяти, которые не используются в активном режиме, на этот подкачка. Таким образом, этот счетчик не достигает нуля и не обязательно является хорошим показателем того, не хватает ли системе ОЗУ.