Virtual Memory Functions

The virtual memory functions enable a process to manipulate or determine the status of pages in its virtual address space. They can perform the following operations:

• Reserve a range of a process’s virtual address space. Reserving address space does not allocate any physical storage, but it prevents other allocation operations from using the specified range. It does not affect the virtual address spaces of other processes. Reserving pages prevents needless consumption of physical storage, while enabling a process to reserve a range of its address space into which a dynamic data structure can grow. The process can allocate physical storage for this space, as needed.
• Commit a range of reserved pages in a process’s virtual address space so that physical storage (either in RAM or on disk) is accessible only to the allocating process.
• Specify read/write, read-only, or no access for a range of committed pages. This differs from the standard allocation functions that always allocate pages with read/write access.
• Free a range of reserved pages, making the range of virtual addresses available for subsequent allocation operations by the calling process.
• Decommit a range of committed pages, releasing their physical storage and making it available for subsequent allocation by any process.
• Lock one or more pages of committed memory into physical memory (RAM) so that the system cannot swap the pages out to the paging file.
• Obtain information about a range of pages in the virtual address space of the calling process or a specified process.
• Change the access protection for a specified range of committed pages in the virtual address space of the calling process or a specified process.

For more information, see the following topics.

Virtual memory

Operating System Tutorials

In this chapter, you will gather knowledge about what virtual memory is and how they are being managed within the operating system, along with its working. Virtual memory is a technical concept that lets the execution of different processes which are not totally in memory. One main benefit of this method is that programs can be larger than the physical memory.

Also, virtual memory abstracts primary memory into a very large, consistent array of storage that divides logical memory as viewed by the user from that of physical memory. This technique is used to free programmers from the anxiety of memory-storage limitations.

Uses of Virtual Memory

Virtual memory also permits processes for sharing files easily and for implementing shared memory. Moreover, it offers a well-organized mechanism for process creation. Virtual memory is not that easy to apply and execute. However, this technique may substantially decrease performance if it is not utilized carefully.

What is Virtual Address Space (VAS)?

The virtual address space of any process is defined as the logical (or virtual) view of how any process gets stored in memory. Normally, this view is where a process begins at a certain logical address — say, addresses location 0—and then exists in contiguous memory. Although, the fact is physical memory might be structured in the form of page frames arid where the physical page frames are assigned to a process that may not be adjacent to each other. It depends on to the memory management unit (MMU) which maps logical pages to physical page frames in memory.

The Concept of Demand Paging

Think of how an executable program could have loaded from within a disk into its memory. One choice would be to load the complete program in physical memory at a program at the time of execution. However, there is a problem with this approach, which you may not at first need the entire program in memory. So the memory gets occupied unnecessarily.

An alternative way is to load pages only when they are needed/required initially. This method is termed as demand paging and is commonly utilized in virtual memory systems. Using this demand-paged virtual memory, pages gets only loaded as they are demanded at the time of program execution; pages which are never accessed will never load into physical memory.

A demand — paging scheme is similar to a paging system with swapping feature where processes exist in secondary memory (typically in a disk). As you want to execute any process, you swap it into memory internally. Rather than swapping the complete process into memory, you can use a «lazy swapper.» A «lazy swapper» in no way swaps a page into memory unnecessarily unless that page required for execution.

Hardware Required for the Concept of Demand Paging

The hardware required for supporting demand paging is the same that is required for paging and swapping:

• Page table: Page table can mark an entry invalid or unacceptable using a valid-invalid bit.
• Secondary memory: Secondary memory retains those pages which are not there in main memory. The secondary memory is generally a high-speed disk. It is also known as a swap device, and the segment of disk used for this purpose is termed as swap space.

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.