При какой организации вся виртуальная память используемая программой разбивается на части

Обновлено: 03.07.2024

1) V – признак присутствия, определяет загружена ли страница в основой памяти или нет (1 –данная виртуальная страница находится в ОП; в этом случае в поле номера физической страницы находится номер страницы ОП; 0 – виртуальная страница отсутствует в основной памяти, генерируется сигнал страничного сбоя (PF), по нему происходит замена, т.е. данная виртуальная страница загружается в ОП через карту диска) и далее V = 1. 2) R – признак использования страницы, устанавливается при обращении к данной странице, информация эта используется при замещении страницы в основной памяти; по данному признаку анализируется, какую страницу выпускать из ОП, если нужно записать другую страницу (см. КЭШ). 3) M – признак модификации (“грязная страница”), данное поле работает, как в КЭШ памяти, определяет была ли изменена страница в процессе работы. 0 – страница не изменялись; 1 – страница изменялись. Если 1 (страница ВП изменялись), то выполняется перезапись данных во внешнюю память. Иначе – сохранять не надо, ее копия уже лежит на диске 4) A – признак прав доступа, данный признак используется с целью защиты информации и определяет, какой вид доступа разрешен в этой таблице (например, 0 – read/write, 1 – read only). Кроме того в страничной таблице содержатся и другие признаки (для защиты) : 5) U/S пользователь/супервизор. Определяет уровень привилегий страницы. Используется для защиты системных страниц (вариант Intel – номер кольца защиты ring 0-3). 6) R/W/Х чтение/запись/исполнение. Атрибуты страницы (ограничивает доступ). Достоинства: а) не нужно хранить размер блока. б) в таблице указывается не начальный адрес, а номер блока виртуальной памяти. в) аналогично для файла подкачки. г) не надо проверять влезет ли блок в свободное пространство. Недостатки : при страничной организации памяти вся ВП рассматривается как непрерывное линейное пространство, ОДНАКО специфика некоторых программ требует, чтобы реализация была другой. Поэтому возникла сегментная организация. Для того, чтобы сократить число обращений к ТОС в процессор вводят специальный кэш страниц (ассоциативная таблица, признак ассоциативного поиска – номер виртуальной страницы).

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:

избавление программиста от необходимости управлять общим пространством памяти,
повышение безопасность использования программ за счет выделения памяти,
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.

Естественным способом разбиения программы на части является её разбиение на логические фрагменты - сегменты. Обычно сегментом является модуль или совокупность прогных модулей. Логическое обращение к элементам программы будет означать указание имени сегмента, и смещения относительно его начала. Каждый сегмент, размещенный в памяти, имеет информационную структуру – дескриптор сегмента. Операционная с-ма строит для каждого выполняемого процесса таблицу дескрипторов сегмента и при размещении каждого из сегментов в ОЗУ или внешней памяти в дескрипторе отмечается его текущее местоположение. Для этого используется бит присутствия. В поле «Адрес» диспетчер памяти записывает адрес физической памяти, с которого начинается сегмент, а в поле «Длина сегмента» его размер в байтах. Это поле используется для того, чтобы избежать наложения сегментов друг на друга и для того, чтобы контролировать, не обращается ли подзадача за пределы текущего сегмента (если это так то генерируется прерывание). Если сегмент находится во внешней памяти, то поля адреса и длины используются для указания адреса сегмента в координатах внешней памяти. В дескрипторе сегмента также содержатся Д о его типе (код или Д), права доступа, отметка об обращениях к сегменту. При передаче управления следующей задаче операционная с-ма заносит в соответствующий регистр микропроцессора адрес таблицы дескрипторов сегментов этой задачи. Сама таблица дескрипторов сегмента также является сегментом Д-х, которые обрабатываются диспетчером памяти.

18. Страничный способ организации виртуальной памяти.

Способ разрывного размещения задач в памяти при к-ом все фрагменты задачи одинакового размера кратного степени двойки называется страничным, а фрагменты страницами. В этом случае память разбивается на физические страницы (кадры, фреймы). А программа разбивается на виртуальные страницы. Часть виртуальных страниц размещается в ОЗУ, а часть во внешней памяти. Место на жестком диске, где размещаются виртуальные страницы называют файлом подкачки или страничным файлом (SWAP-файл). Чтобы подчеркнуть, что записи этого файла-страницы замещают друг друга в ОЗУ в некоторых операционных с-мах виртуальные страницы располагаются не в файле, а в специальном разделе диска.

Физический адрес ячейки памяти определяется парой (P_p, i), а виртуальный (P_v, i). P_v – номер виртуальной страницы, P_p – номер физической страницы, а I – номер ячейки (индекс) внутри страницы. Для отображения виртуального адресного пространства на физическую память для каждой задачи необходимо иметь таблицы страниц для трансляции адресных пространств. Для описания каждой страницы диспетчер памяти ОС заводит соответствующий дескриптор. По номеру виртуальной страницы в таблице дескрипторов текущей задачи находится соответствующий элемент (дескриптор). Если бит присутствия равен единице, то данная страница находится в ОЗУ и в дескрипторе находится номер физической страницы, отведенной под данную виртуальную страницу. Защита страничной памяти основана на контроле уровня доступа каждой страницы. Существующие уровни доступа: только чтения, чтение и запись, только выполнение. Каждая страница снабжается соответствующим кодом. При обращении к виртуальной странице отсутствующей в физической памяти возникает прерывание и управление передается диспетчеру памяти, к-ый должен найти свободное место. Если свободной страницы нет, то диспетчер памяти, по одной из дисциплин замещения определит страницу подлежащую расформированию или сохранению во внешней памяти. На её место он разместит виртуальную страницу к которой было обращение из задачи. Диспетчер памяти выбирает для замещения ту страницу, на которую не было ссылки на протяжении наиболее длительного периода времени. Дисциплина замещения – Least Recently Used связывает с каждой страницей время последнего её использования. В Windows 2000 она называется FIFO. Страничный механизм приводит к тому, что без специальных аппаратных средств он существенно замедляет работу вычислительной системы. Поэтому обычно используют кэширование страничных дескрипторов. В микропроцессоре i80*86 используется кэш на 32 страничных дескриптора. Поскольку размер страницы в этих микропроцессорах 4Кб, то возможно быстрое обращение к 128Кб памяти. Основным достоинством страничной организации является минимально возможная фрагментация, поскольку на каждую задачу может приходится по одной незаполненной странице. Недостатки: накладные расходы, т.е. таблицы страниц нужно размещать в памяти и их нужно обрабатывать; программы разбиваются на страницы случайно без учета логических взаимосвязей имеющихся в коде программы. Поэтому межстраничные переходы осуществляются чаще нежели межсегментные и трудно организовать разделение прогных модулей между выполняющимися прогами.

Виртуальная память является подкачкой (дополнением) оперативной памяти. Она присутствует практически во всех операционных системах.

При запуске ресурсоемких программ у нас постоянно возникает потребность в виртуальной памяти. По этому сегодня мы рассмотрим подробный обзор «что это такое?» и как мы можем ее изменить в лучшую сторону.

Что такое виртуальная память?

Виртуальная память (Virtual Memory, ВП) — это метод управления памятью компьютера, использующий для работы файл подкачки (swap file). При недостатке существующего объема ОЗУ, позволяет запускать на ПК более ресурсозатратные программы. В таком случае данные приложения автоматически перемещаются между основной памятью и вторичным хранилищем.

Виртуальная память так же обладает рядом достоинств:

Работает полностью в автоматическом режиме и не требует от пользователя постоянного управления основным пространством.
Значительно повышает безопасность использования программного обеспечения (снижает вероятность вылетов, критического завершения работы, потери данных).
Позволяет запускать и использовать на ПК больше памяти, чем это доступно физически.

За счет ее использования компьютер способен изолировать запущенные процессы друг от друга и рационально распределять RAM.

Она расходуется только для хранения активно используемых областей. Виртуальная память может включать важные для пользователя пароли, логины и другую информацию. Эта возможность используется сотрудниками спецслужб и хакерами для получения доступа к остальным компонентам компьютера. Сделать это можно как аппаратно, так и системно.

Как узнать объем файла подкачки (swap file)

Файл подкачки хранится на винчестере компьютера. Если для работы устройства используется несколько жестких дисков, то он будет расположен на самом быстром из них. Определить объем ВП можно с использованием стандартных средств Windows или специального софта.

Размер свапа подкачки можно узнать через штатную утилиту «Системный монитор».

Для этого:

Откройте меню «Пуск» и начните вводить название приложения для мониторинга.
Появится новое окно. Здесь вы найдете основную информации о свапе, пиковые значения подсчета обмена страниц, процент использования системой и размер.

При определении размера ВП система исходит не из объема ОЗУ, а из задач, которые выполняются на устройстве. Поэтому для определения размера необходимо запустить приложения и компоненты, которые обычно используются компьютером и посмотреть пиковое значение свапинга в течение этого сеанса. Он и будет определять величину файла подкачки.

Узнать объем ВП и другие параметры системы можно используя специальную утилиту Vmmap.exe. Она доступна для бесплатной загрузки на официальном сайте Microsoft и не требует установки. Поставляется в виде исполняемого файла, полностью на английском языке.

Dump File и его типы

Swap используется не только для расширения физической памяти, но и для создания аварийных дампов при возникновении «внештатных» аварийных ситуаций.

Как это работает:

Во время первоначального запуска системы, Windows создает и сохраняет на жестком диске специальную карту секторов, которые занимает на HDD свап.
Если происходит сбой, то операционная система изучает созданную карту на наличие неисправностей. В идеале она должна быть целостной. Если это так, то данные переписываются на винчестер и в свап по созданной карте секторов.
При следующем перезапуске компьютера SMSS анализирует ВП и проверяет его на наличие дампов, если он есть, то данные копируются из файла подкачки в специальный dump file. Дополнительно обновляется системный журнал. Поэтому открыв его можно узнать, была ли проведена эта операция.

Таким образом при автоматическом выборе размера свапа, Windows руководствуется настройками для создания аварийного дампа.

Загрузка и восстановление

Дампы можно разделить на 4 типа:

В него записывается все содержимое RAM на момент незапланированного завершения работы. С учетом этой информации файл подкачки должен иметь размер равный физической памяти компьютера +1 МБ (используется для создания записи в системном журнале).

Выбирается системой автоматически только в том случае, если общий объем физической памяти 4 ГБ и менее.

В него записывается только информация и память, выделенная для ядра операционной системы. Он занимает сравнительно меньше места и его объема достаточно, чтобы Windows могла определить причины аварийного завершения работы.

Выбирается по умолчанию, если размер RAM превышает 4 ГБ. При выборе дампа памяти ядра важно следить, чтобы минимальный размер для файла подкачки составлял хотя бы ⅓ от общего объема физической.

Записывает только самую необходимую информацию для выявления причин аварийного сбоя. Здесь находится стоп-код и описание самой ошибки, дополнительно указываются загруженные на устройство драйвера и перечень запущенных процессов.

Необходимый размер файла подкачки для него —не менее 2 Мб.

Доступен только для операционных систем семейства Windows начиная от восьмерки и выше, либо Server 2012. Представляет собой аналог дампа ядра, но с тем отличием, что система может постоянно менять размер файла подкачки, позволяя ей выбирать оптимальный для работы вариант.

Размер свапа будет напрямую зависит от объема RAM и выбранного типа дампа. Дополнительно стоит учитывать и версию операционной системы. Это касается серверных и обычных сборок.

Как изменить Dump File

Перед тем, как менять размер виртуальной памяти, необходимо правильно определить и выбрать тип дампа. Сделать это можно используя штатные инструменты Windows. Для этого выполните следующие действия:

Правой кнопкой мыши кликните по значку «Мой компьютер» и выберите меню «Свойства» . Найдите пункт «Дополнительные параметры» . Откроются свойства системы.

Попасть в них можно и другим способом. Откройте диалоговое меню: «Выполнить» и в нем наберите:

На вкладке «Дополнительно» найдите категорию, которая посвящена загрузке и восстановлению системы. После чего нажмите на кнопку «Параметры» .

В блоке «Отказ системы» найдите графу запись отладочной информации и выберите подходящий тип дампа. Для Windows 10 по умолчанию используется Автоматический.

Загрузка и восстановление

По желанию дамп можно отключить. Для этого в выпадающем списке выберите «Нет» . После этого система не будет делать резервные копии.

Учтите, что это может привести к безвозвратной потери важных данных.

Нажмите «Ок» , как только внесете все необходимые изменения, чтобы они вступили в силу. Как только тип дампа будет выбран, можно приступать к изменению объема виртуальной памяти.

Как изменить объем виртуальной памяти через быстродействие

Запустите системную утилиту «Выполнить» одновременным нажатием клавиш Windows+R или откройте ее через Пуск. После этого:

и нажмите «Ок» .

Перейдите на вкладку «Дополнительно» и найдите здесь категорию «Быстродействие» .

Кликните по серой кнопке «Параметры» . Откроется новое окно. Здесь перейдите на вкладку «Дополнительно» .
В нижней части экрана будет указан объем виртуальной памяти. Нажмите «Изменить» , чтобы ввести другой параметр и увеличить, либо уменьшить размер файла подкачки.

По умолчанию система определяет размер полностью в автоматическом режиме. Это наиболее оптимальная опция для Windows. При изменении объема свапа вручную важно, чтобы новый размер виртуальной памяти был не менее существующего, в противном случае возможны сбои в работе ПК.

После увеличение размера свапа перезагрузка не требуется. Если же он был наоборот уменьшен, то устройство необходимо обязательно перезапустить.

Как добавить виртуальную память на Windows

Как правило, среднестатистическому пользователю достаточно того объема ВП, которая выделяется устройством автоматически. Если на ПК мало физической RAM, то увеличить ее объем можно за счет свапа.