Управление памятью в Windows

Структура адресного пространства

Принято считать, что каждый процесс, запущенный в Windows, получает в свое распоряжение виртуальное адресное пространство размером 4 Гб. Это число определяется разрядностью адресов в командах: 2³² байт = 4 Гб.

Конечно, трудно рассчитывать, что для каждого процесса найдется такое количество физической памяти, речь идет только о диапазоне возможных адресов.

Но даже и в этом смысле процессу доступно лишь около 2 Гб младших адресов виртуальной памяти. В частности, для Windows NT старшие 2 Гб с адресами от 80000000₁₆ до FFFFFFFF₁₆ доступны только системе. Такое решение позволило уменьшить время, затрачиваемое при вызове системных функций, поскольку отпадает необходимость изменять при этом отображение страниц, нужно только разрешить их использование. Однако, чтобы сам вызов API-функций был возможен, системные библиотеки, которые содержат эти функции, размещаются в младшей, пользовательской половине виртуального пространства.

В Windows 95 принято хулиганское решение: система и здесь располагается в старшей половине памяти, но эта половина доступна процессу пользователя и для чтения, и для записи. При этом вызов системы становится еще проще, но зато система становится беззащитной перед любой некорректной программой, лезущей куда не надо.

Кроме старших 2 Гб, процессу недоступны еще некоторые небольшие области в начале и в конце виртуального пространства. В Windows NT недоступны адреса с 00000000₁₆ по 0000FFFF₁₆ и с 7FFF0000₁₆ по 7FFFFFFF₁₆, т.е. два кусочка по 64 Кб. Это сделано с целью выявления такой типичной ошибки программирования, как использование неинициализированных указателей, которые обычно попадают в запретные диапазоны адресов.

Для 64-разрядных процессоров размер виртуального адресного пространства возрастает до трудно представимых 2⁶⁴ байт (17 миллиардов гигабайт, если угодно), однако Windows XP выделяет в распоряжение каждого процесса «всего лишь» 7152 гигабайта с адресами от 0 до 6FBFFFFFFFF₁₆, а остальное адресное пространство может использоваться только системой.

Регионы

Рассмотрим теперь, каким образом программа процесса может использовать свое адресное пространство.

Попытка просто-напросто использовать в программе произвольно выбранный адрес в пределах адресного пространства процесса, скорее всего, приведет к выдаче сообщения об ошибке защиты памяти. На самом деле, использовать виртуальный адрес можно только после того, как ему поставлен в соответствие адрес физический. Такое сопоставление выполняется путем выделения регионов виртуальной памяти.

Регион памяти всегда имеет размеры, кратные 4 Кб (т.е. он содержит целое число страниц), а его начальный адрес кратен 64 Кб.

Для выделения региона используется функция VirtualAlloc. Она требует указания следующих параметров.

· Начальный виртуальный адрес региона. Если указана константа NULL, то система сама выбирает адрес. Если указан адрес, не кратный 64 К, то система округляет его вниз.

· Размер региона. При необходимости система округляет его до величины, кратной 4 Кб.

· Тип выделения. Здесь указывается одна из констант MEM_RESERVE (резервирование памяти) или MEM_COMMIT (передача физической памяти), смысл которых будет подробно рассмотрен ниже, или комбинация обеих констант.

· Тип доступа. Он определяет, какие операции могут выполняться со страницами выделенной памяти. Наиболее важны следующие типы доступа.

- PAGE_READONLY – доступ только для чтения, попытка записи в память приводит к ошибке.

- PAGE_READWRITE – доступ для чтения и записи.

- PAGE_GUARD – дополнительный флаг «охраны страниц», который должен комбинироваться с одним из предыдущих. При первой же попытке доступа к охраняемой странице генерируется прерывание, извещающее об этом систему. При этом флаг охраны автоматически снимается, так что дальнейшая работа со страницей выполняется без проблем.

Самое важное, что следует понять про выделение регионов, это смысл операций резервирования и передачи памяти.

Резервирование региона памяти (MEM_RESERVE) означает всего лишь то, что диапазон виртуальных адресов, соответствующих данному региону, не будет использован ни под какие другие цели, система считает его занятым. Это как резервирование авиабилета: вы пока что не владеете билетом, но и никому другому его не продадут.

Попытка программы обратиться к адресу в зарезервированном, но не переданном регионе приведет к ошибке.

Передача физической памяти (MEM_COMMIT) означает, что за каждой страницей виртуальной памяти региона система закрепляет… нет, вовсе не страницу физической памяти, как можно подумать. Закрепляется блок размером 4 Кб в страничном файле. В таблице страниц процесса переданные страницы помечаются как отсутствующие в памяти.

Теперь попытка обращения к адресу в регионе приведет уже к совсем другому результату. Поскольку страница отсутствует в памяти, произойдет прерывание. Однако это не будет рассматриваться как ошибка в программе. Система, обрабатывая прерывание, выполнит операцию чтения страницы с диска, из страничного файла, в основную память и занесет в таблицу страниц физический адрес, который теперь соответствует виртуальной странице. После этого команда, вызвавшая прерывание, будет повторена, но теперь уже с успехом, поскольку требуемая страница находится в памяти. Дальнейшие обращения к той же виртуальной странице будут выполняться без проблем, пока страница находится в памяти.

Резервирование и передача памяти могут выполняться одновременно, при одном обращении к функции VirtualAlloc, которой для этого нужно передать комбинацию обеих констант: MEM_RESERVE + MEM_COMMIT. Есть и другой вариант: сначала зарезервировать регион памяти, а затем, по мере необходимости, передавать физическую память либо всему региону сразу, либо его отдельным частям (субрегионам). Для этого в первый раз функция VirtualAlloc вызывается с константой MEM_RESERVE и, как правило, без указания конкретного адреса. Затем вызывается VirtualAlloc с константой MEM_COMMIT и с указанием адреса ранее зарезервированного региона или соответствующего субрегиона.

Все описанное полностью соответствует понятию загрузки страниц по требованию, описанному в п. 5.5. В качестве особенностей реализации замещения страниц в Windows следует отметить следующее.

· Для каждого процесса в системе определены максимальный и минимальный размер его рабочего множества. При выборе вытесняемой страницы система пытается добиться, чтобы за каждым процессом сохранялось не менее минимального, но не более максимального количества памяти. Это позволяет избежать ситуации, когда один процесс, расточительно использующий память, вытесняет из нее почти все страницы других процессов. Процесс может изменить размеры своего рабочего множества, но при этом суммарные требования всех процессов ограничиваются реальным размером имеющейся памяти.

· Процесс может запереть в памяти некоторый диапазон адресов, чтобы воспрепятствовать вытеснению соответствующих страниц на диск. Суммарный размер памяти, запертой одним процессом, по умолчанию не должен превосходить 30 страниц. Длительное удержание одним процессом большого числа страниц запертыми в памяти привело бы к уменьшению объема памяти, доступного для других процессов (да и для незапертых страниц того же процесса).