Что дает виртуальная память

Виртуа́льная па́мять (англ. virtual memory ) — метод управления памятью компьютера, позволяющий выполнять программы, требующие больше оперативной памяти, чем имеется в компьютере, путём автоматического перемещения частей программы между основной памятью и вторичным хранилищем (например, жёстким диском) [1] [2] [3] . Для выполняющейся программы данный метод полностью прозрачен и не требует дополнительных усилий со стороны программиста, однако реализация этого метода требует как аппаратной поддержки, так и поддержки со стороны операционной системы.

В системе с виртуальной памятью используемые программами адреса, называемые виртуальными адресами, транслируются в физические адреса в памяти компьютера. Трансляцию виртуальных адресов в физические выполняет аппаратное обеспечение, называемое блоком управления памятью. Для программы основная память выглядит как доступное и непрерывное адресное пространство либо как набор непрерывных сегментов, вне зависимости от наличия у компьютера соответствующего объёма оперативной памяти. Управление виртуальными адресными пространствами, соотнесение физической и виртуальной памяти, а также перемещение фрагментов памяти между основным и вторичным хранилищами выполняет операционная система (см. подкачка страниц).

Применение виртуальной памяти позволяет:

  • освободить программиста от необходимости вручную управлять загрузкой частей программы в память и согласовывать использование памяти с другими программами
  • предоставлять программам больше памяти, чем физически установлено в системе
  • в многозадачных системах изолировать выполняющиеся программы друг от друга путём назначения им непересекающихся адресных пространств (см. защита памяти)

В настоящее время виртуальная память аппаратно поддерживается в большинстве современных процессоров [1] . В то же время в микроконтроллерах и в системах специального назначения, где требуется либо очень быстрая работа, либо есть ограничения на длительность отклика (системы реального времени), виртуальная память используется относительно редко. Также в таких системах реже встречается многозадачность и сложные иерархии памяти.

Содержание

История [ править | править код ]

В 1940-е и 1950-е годы все программы, размер которых превышал объём оперативной памяти, должны были содержать логику управления оперативной и внешней памятью, такую как оверлей. В связи с этим виртуальная память была введена не только для увеличения объёма оперативной памяти, но и для того, чтобы сделать такое увеличение наиболее простым в использовании для программистов. [4] Для поддержки мультипрограммирования и многозадачности во многих ранних компьютерных системах разделение памяти между несколькими программами осуществлялось без виртуальной памяти, с помощью сегментации (например, в компьютерах PDP-10).

Понятие виртуальной памяти было впервые введено в 1956 году немецким физиком Фрицем-Рудольфом Гюнтшем (нем. Fritz-Rudolf Güntsch ) из Берлинского технического университета в его докторской диссертации «Логическое проектирование цифровой вычислительной машины с несколькими асинхронными вращающимися барабанами и автоматическим высокоскоростным управлением памятью». В ней описывается машина с 6 блоками памяти на магнитных сердечниках ёмкостью 100 слов каждый и адресным пространством в 1000 блоков по 100 слов. Аппаратное обеспечение машины автоматически перемещает блоки между основной и внешней памятью на магнитных барабанах. [5] [6] Подкачка страниц впервые была реализована в Манчестерском университете как способ расширения памяти компьютера Atlas путём объединения его основной памяти на магнитных сердечниках объёмом 16000 слов с памятью на магнитных барабанах ёмкостью 96000 слов. Первая поставка машины Atlas состоялась в 1962 году, но работающие прототипы подкачки страниц были разработаны уже в 1959 году. [4] [7] [8] В 1961 году Burroughs Corporation независимо выпустила первый промышленно производившийся компьютер с виртуальной памятью B5000, использующий сегментацию вместо подкачки страниц. [9] [10] В 1965 году виртуальная память была реализована в отечественной машине БЭСМ-6, хотя реализованный механизм не позволял расширить 15-разрядное адресное пространство процесса и ограничивал удобство программирования. [11]

Читайте также:  Режим турбо буст как включить

Прежде чем виртуальная память смогла быть использована в распространённых операционных системах, должен был быть решен ряд проблем. Динамическая трансляция адресов требовала дорогого и сложного в изготовлении специального оборудования. Первые реализации замедляли доступ к памяти. [4] Существовали опасения, что новые общесистемные алгоритмы, использующие внешнюю память, будут менее эффективны, чем ранее использовавшиеся алгоритмы конкретных приложений. К 1969 году дебаты вокруг виртуальной памяти для промышленно выпускаемых компьютеров были завершены: команда исследователей из IBM под руководством Дэвида Сейра (англ. David Sayre ) показала, что созданная ими система виртуальной памяти во всех отношениях превосходит самые лучшие системы, управляемые вручную. [4] [12] Первым мини-компьютером, в котором была использована виртуальная память, был норвежский NORD-1. В 1970-е годы реализации виртуальной памяти появились в других мини-компьютерах, наиболее известным является VAX, работающий под управлением операционной системы VMS.

Виртуальная память в архитектуре x86 была реализована с появлением защищенного режима процессора 80286, однако она использовала сегментацию памяти, и метод подкачки сегментов плохо масштабировался для больших размеров сегментов. В процессоре 80386 была введена поддержка подкачки страниц, не приводящая к возникновению двойной ошибки, если во время обработки другого исключения возникло исключение ошибки страницы. Поверх системы подкачки страниц работал существующий механизм сегментации памяти. Однако загрузка дескрипторов сегментов являлась дорогостоящей операцией, заставляя разработчиков операционных систем полагаться только на механизм подкачки страниц, а не на комбинацию подкачки страниц и сегментации.

Страничная организация виртуальной памяти [ править | править код ]

В большинстве современных операционных систем виртуальная память организуется с помощью страничной адресации. Оперативная память делится на страницы: области памяти фиксированной длины (например, 4096 байт [13] ), которые являются минимальной единицей выделяемой памяти (то есть даже запрос на 1 байт от приложения приведёт к выделению ему страницы памяти). Исполняемый процессором пользовательский поток обращается к памяти с помощью адреса виртуальной памяти, который делится на номер страницы и смещение внутри страницы. Процессор преобразует номер виртуальной страницы в адрес соответствующей ей физической страницы при помощи буфера ассоциативной трансляции (TLB). Если ему не удалось это сделать, то требуется дозаполнение буфера путём обращения к таблице страниц (так называемый Page Walk), что может сделать либо сам процессор, либо операционная система (в зависимости от архитектуры) [14] . Если страница была выгружена из оперативной памяти, то операционная система подкачивает страницу с жёсткого диска в ходе обработки события Page fault (см. свопинг, подкачка страниц). При запросе на выделение памяти операционная система может «сбросить» на жёсткий диск страницы, к которым давно не было обращений. Критические данные (например, код запущенных и работающих программ, код и память ядра системы) обычно находятся в оперативной памяти (исключения существуют, однако они не касаются тех частей, которые отвечают за обработку аппаратных прерываний, работу с таблицей страниц и использование файла подкачки).

Сегментная организация виртуальной памяти [ править | править код ]

Механизм организации виртуальной памяти, при котором виртуальное пространство делится на части произвольного размера — сегменты. Этот механизм позволяет, к примеру, разбить данные процесса на логические блоки. [15] Для каждого сегмента, как и для страницы, могут быть назначены права доступа к нему пользователя и его процессов. При загрузке процесса часть сегментов помещается в оперативную память (при этом для каждого из этих сегментов операционная система подыскивает подходящий участок свободной памяти), а часть сегментов размещается в дисковой памяти. Сегменты одной программы могут занимать в оперативной памяти несмежные участки. Во время загрузки система создает таблицу сегментов процесса (аналогичную таблице страниц), в которой для каждого сегмента указывается начальный физический адрес сегмента в оперативной памяти, размер сегмента, правила доступа, признак модификации, признак обращения к данному сегменту за последний интервал времени и некоторая другая информация. Если виртуальные адресные пространства нескольких процессов включают один и тот же сегмент, то в таблицах сегментов этих процессов делаются ссылки на один и тот же участок оперативной памяти, в который данный сегмент загружается в единственном экземпляре. Система с сегментной организацией функционирует аналогично системе со страничной организацией: время от времени происходят прерывания, связанные с отсутствием нужных сегментов в памяти, при необходимости освобождения памяти некоторые сегменты выгружаются, при каждом обращении к оперативной памяти выполняется преобразование виртуального адреса в физический. Кроме того, при обращении к памяти проверяется, разрешен ли доступ требуемого типа к данному сегменту.

Читайте также:  Сбой активации сотовой сети iphone 6

Виртуальный адрес при сегментной организации памяти может быть представлен парой (g, s), где g — номер сегмента, а s — смещение в сегменте. Физический адрес получается путём сложения начального физического адреса сегмента, найденного в таблице сегментов по номеру g, и смещения s.

Недостатком данного метода распределения памяти является фрагментация на уровне сегментов и более медленное по сравнению со страничной организацией преобразование адреса.

Существует также гибридная странично-сегментная организация виртуальной памяти [16] .

В компьютере, как известно, есть оперативная память, используемая для хранения данных, которые нужны процессору в первую очередь, но есть также такое понятие, как виртуальная память компьютера.

Процессор постоянно решает какие-то задачи и все данные, которые нужны для его работы, помещаются в оперативную память и поскольку оперативная память имеет очень высокое быстродействие, то процессор также быстро получает доступ к необходимой информации.

Но оперативная память часто ограничена по размеру, так в домашних компьютерах, к примеру, размер ее редко превышает четыре гигабайта. Обычный размер оперативной памяти для ноутбуков, это 1 или 2 гигабайта.

Что такое виртуальная память компьютера

Для того, чтобы помочь компьютеру, несколько разгрузить оперативную память, операционная система Windows создает специальный файл, который в дальнейшем выполняет роль виртуальной памяти.

Этот файл называют также файлом подкачки – pagefile.sys, он располагаться на жестком диске компьютера и содержит атрибуты скрытый и системный.

Этот файл используется системой, чтобы хранить части программ и файлов, которые не умещаются в оперативной памяти, но необходимы для работы компьютера в данный момент.

По мере надобности Windows передает данные из файла виртуальной памяти в оперативную память и процессор получает таким образом быстрый доступ к этим данным.

Доступ к виртуальной памяти

Чтобы увидеть файл подкачки, заходим в программу Проводник и зайдем на диск С. Если отключено отображение скрытых файлов, то можно зайти в настройки программы Проводник, в меню – УпорядочитьСвойстваПараметры папок и поискаВид и откроется окошко Параметры папок.

Если собрана сеть, то доступ можно получить в Центре управления сетями и общим доступом. Тут опять же избираем СервисПараметры папок.

Откроется одноименное окно, выбираем в нем Вид и в Дополнительных параметрах снимаем пометку Скрывать защищенные системные файлы, а также нажимаем Показывать скрытые файлы, папки и диски. Жмем Применить.

Теперь на диске С появляются несколько папок и файлов, которые имеют атрибуты скрытый или системный. Здесь же можно увидеть файл pagefile.sys, который отмечен, как системный и его объем на данный момент составляет более 3 Гб.

По мере работы компьютера и запуска различных программ размер файла виртуальной памяти может увеличиваться. При этом можно увидеть, что размер свободного места на диске С непрерывно меняется.

В первую очередь это связано с тем, что работает виртуальная память, постоянно в нее помещаются какие-то файлы, фрагменты программ и поэтому этот файл постоянно изменяет свой размер.

Читайте также:  Как написать шапку сайта

Иногда при работе на компьютере может появиться сообщение о том, что недостаточно виртуальной памяти. Речь при этом идет как раз таки о том, что файл подкачки оказался мал.

При этом может быть две ситуации. Во-первых, место на диске С уменьшилось до таких размеров, что файл подкачки не может более увеличиваться в объеме.

Вторая ситуация, это файл подкачки ограничен в объеме пользователем и его не достаточно для хорошего функционирования компьютера.

Если появилось сообщение о недостаточности виртуальной памяти, надо сначала проверить свободное место на системном диске, как правило, это диск С.

Свободное место на диске С требуется как для работы файла подкачки, так и для работы различных программ, поскольку они создают различные временные файлы, в большинстве случаев они затем удаляются, как только работа программы будет закончена.

Поэтому надо следить, чтобы на диске С постоянно было свободное место. Так при работе ОС Windows 7 его должно быть не менее 5 -7 Гб.

Объем современных жестких дисков исчисляется часто терабайтами, поэтому оставить достаточное свободное место на диске С проблем не составит.

Как изменить объем виртуальной памяти

Для изменения объема виртуальной памяти необходимо перейти из панели управления в окно Система или нажимаем клавиши Windows + Pause.

В окне Система переходим во вкладку Дополнительные параметры системы. Открывается окно Свойства системы и в нем есть блок Быстродействие.

Нажимаем на кнопку Параметры, откроется окошко Параметры быстродействия. Открываем вкладку Дополнительно, где есть раздел Виртуальная память.

Нажимаем здесь на кнопку Изменить. В открывшемся окне снимаем галочку Автоматически выбирать объем файла подкачки и отмечаем Указать размер вручную.

Если размер установлен автоматически, то операционная система будет изменять размер по своему желанию. Можно этот размер ограничить, допустим 3500 Мб.

В этом случае виртуальная память компьютера всегда будет одного размера и пространство на диске С не будет изменяться из-за файла подкачки.

Есть возможность также выбрать какой-то диапазон значений и тогда файл виртуальной памяти станет меняться в заданных пределах.

Можно установить опцию Без файла подкачки и тогда виртуальная память компьютера использоваться вообще не будет.

Тогда быстродействие операционной системы несколько повысится, потому как оперативная память работает намного быстрее, чем жесткий диск.

Но произойдет это только в том случае, если на компьютере установлено достаточно оперативной памяти.

Чаще всего файл подкачки отключить невозможно, поэтому указываем его величину вручную, либо оставляем галочку Автоматически изменять объем файла подкачки. Нажимаем OK и выбранные параметры вступают в силу после того, как компьютер будет перезагружен.

файл подкачки – Скрытый файл на жестком диске, используемый Windows для хранения частей программ и файлов данных, не помещающихся в оперативной памяти. Файл подкачки и физическая (оперативная) память составляют виртуальную память. По мере необходимости Windows перемещает данные из файла подкачки в оперативную память (для их использования программой) и обратно (для освобождения места для новых данных) . Файл подкачки называется также файлом виртуальной памяти.

Чтобы его увеличить проделай следующее:
1. СВОЙСТВА моего компа
2. вкладка ДОПОЛНИТЕЛЬНО
3. кнопка ПАРАМЕТРЫ в разделе БЫСТРОДЕЙСТВИЕ
4. в появившемся окне вкладка ДОПОЛНИТЕЛЬНО
5. кнопка ИЗМЕНИТЬ
6. МИНИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР не трогай, а МАКСИМАЛЬНУЮ задай такую, какая тебе необходимо в байтах (У меня, например, выставлена 2048). Советую выставить её на ДВУХ дисках одинаковую
7. нажми кнопку ЗАДАТЬ, затем ОК/ОК/ОК
8. перезагрузи комп