Виртуальная память

Компьютерные системы создаются с применением нескольких уровней памяти. На рис. 8.1 показаны наиболее важные из них с указанием ориентировочных значений, полученных в системе Linux автора. По мере перехода к правой части рисунка эти виды памяти становятся более крупными, но менее быстродействующими (а также более дешевыми в расчете на один байт). В частности, можно видеть, что скорости доступа характеризуются шестью порядками величины и крайние их значения отличаются друг от друга в 1000000 раз, а емкости характеризуются восемью порядками величины и крайние их значения отличаются друг от друга в 312500000 раз. (На практике разница в быстродействии иногда не столь заметна, но эти цифры вполне приемлемы для целей нашего описания.) Наиболее значительным отличием является последнее — различие между оперативной памятью (или основной памятью) и диском (или внешней памятью).

Рис. 8.1. Уровни хранения с характеристиками скорости и обмена

Потребность в дополнительной внешней памяти чрезвычайно велика, даже несмотря на такое низкое ее быстродействие. Было бы неплохо заставить диск подменять оперативную память, когда ее не хватает, временно перемещая неиспользуемый код и данные на диск, чтобы освободить место для действующих процессов. Как вы уже наверно знаете, в Linux это уже сделано: это так называемая виртуальная память.

Таким образом, виртуальная память представляет собой метод безукоризненного совмещения доступа к оперативной памяти и диску — к основной и внешней памяти. Приложения имеют доступ ко всей оперативной памяти, как будто она действительно существует. Мы знаем, что ее на самом деле нет и поэтому называем ее «виртуальной», но благодаря ядру приложения этого не замечают. С точки зрения приложений, виртуальная память равносильна наличию огромного объема оперативной памяти, которая на практике иногда просто медленно работает.

Термин «виртуальная память» имеет еще одно значение, которое, строго говоря, не связано с первым значением. Такое понятие, как виртуальная память, относится также к методу предоставления процессам откорректированной информации об адресах, в которых они находятся. Каждому процессу разрешено считать, что его адреса начинаются с нулевого адреса и от него наращиваются. Безусловно, в действительности это не может быть истинным для всех процессов одновременно, но это соглашение удобно при выработке выполняемого кода, поскольку процессам не нужно сообщать, что они в действительности не располагаются с нулевого адреса, и они не должны этого учитывать.

Эти два толкования не обязательно связаны, поскольку теоретически любая операционная система может предоставить каждому процессу его собственное логическое адресное пространство, не объединяя при этом основную и внешнюю память. Однако во всех реальных системах, известных автору, предусмотрены либо обе эти формы реализации виртуальной памяти, либо ни одной. Именно с этим была связана та путаница, которая возникала на первых этапах развития операционных систем.

Чтобы избежать этой многозначности, многие предпочитают закреплять за термином «виртуальная память» значение, связанное с логическим адресным пространством, и использовать для обозначения способа временного хранения информации на диске термин «страничный обмен» или «подкачка» (свопинг), характеризуя применение виртуальной памяти лишь в качестве способа хранения информации (мы дадим определения этих терминов немного позднее). Хотя в рассуждениях этих приверженцев чистоты терминологии есть доля истины, автор придерживается более распространенного толкования и редко подчеркивает такое различие, если этого не требует контекст.