Управление виртуальной памятью в ос windows

Виртуальная память в ОС Windows.

В основе всей системы управления памятью Windows лежит страничная система виртуальной памяти, встроенная в ядро ОС. Эта система позволяет приложениям использовать области памяти, размер которых значительно превышает объем физической памяти компьютера.

Операционная система Windows поддерживает сплошную (несегментированную) модель памяти. Каждому процессу предоставляется линейное адресное пространство размером до 4-х Гбайт. При этом область памяти размером 2 Гбайт с адресами 00000000H — 7FFFFFFFH предоставлена приложению, а оставшиеся 2 Гбайт зарезервированы для использования ОС. Адресные пространства всех запущенных приложений разделены. Такое разделение выполняется с помощью назначения приложениям индивидуальных наборов страниц виртуальной памяти. В результате для каждого приложения выполняется отображение линейных адресов в собственный набор страниц виртуальной памяти, не пересекающийся с набором страниц других приложений. Этим достигается выполнение функции защиты памяти, необходимой для обеспечения надежной многозадачной работы.

Каждая страница имеет свой дескриптор, который содержит всю необходимую информацию о странице. Дескриптор страницы имеет следующий формат, показанный на рис. 4:

Рис 4. Формат дескриптора страницы.

Устанавливая соответствующим образом биты защиты, операционная система может отметить страницу как доступную для чтения, чтения — записи, или как недоступную. При попытке выполнить обращение для выполнения операции с неразрешенным доступом возникает прерывание.

Операционная система Windows позволяет создать до 16 -ти отдельных файлов виртуальных страниц, расположенных на различных дисковых устройствах. Разряды 6 — 3 хранят номер файла страницы, в котором находится данная страница.

Состояние страницы идентифицируются разрядами 2 — 0. Страница может находиться в переходном состоянии, быть обновленной, но не сохраненной в памяти и быть загруженной в память. Если приложение пытается обратиться к виртуальной странице, которая не загружена в оперативную память, возникает аппаратное прерывание, и нужная страница автоматически загружается из соответствующего файла страниц (подкачивается в память).

В дополнение к информации о состоянии страницы, находящейся в дескрипторе, система управления виртуальной памятью хранит состояние страниц в базе данных страниц. В этой базе страница может быть отмечена как имеющая одно из следующих состояний:

Свободная. Страница доступна для использования после заполнения ее нулями.
Заполненная нулями. Страница свободна, заполнена нулями и доступна для использования приложениями.
Правильная. Страница используется активным процессом.
Измененная. Содержимое страницы было изменено, но страница еще не сохранена на диске в файле страниц (не откачена).
Запасная. Страница удалена из текущего набора виртуальных страниц процесса.
Плохая. Обращение к данной странице ведет к аппаратной ошибке.

Для работы с виртуальной памятью в программном интерфейсе Windows имеется набор соответствующих функций. Для резервирования и получения в свое распоряжение (назначения) виртуальной памяти служит функция VirtualAlloc, которая осуществляет выделение и назначение (при повторном обращении) желаемого объема виртуальной памяти с указанным типом доступа. Результатом работы этой функции является указатель на начало области виртуальной памяти (в случае успешного завершения). Виртуальная память освобождается после использования с помощью функции VirtualFree. Изменение типа доступа в процессе работы программы осуществляется с помощью функции VirtualProtect.

Источник

Управление памятью

Виртуальная память

Всем процессам в операционной системе Windows предоставляется важнейший ресурс – виртуальная память ( virtual memory ). Все данные, с которыми процессы непосредственно работают, хранятся именно в виртуальной памяти.

Название «виртуальная» произошло из-за того что процессу неизвестно реальное (физическое) расположение памяти – она может находиться как в оперативной памяти ( ОЗУ ), так и на диске. Операционная система предоставляет процессу виртуальное адресное пространство (ВАП, virtual address space ) определенного размера и процесс может работать с ячейками памяти по любым виртуальным адресам этого пространства, не «задумываясь» о том, где реально хранятся данные.

Размер виртуальной памяти теоретически ограничивается разрядностью операционной системы. На практике в конкретной реализации операционной системы устанавливаются ограничения ниже теоретического предела. Например, для 32-разрядных систем ( x86 ), которые используют для адресации 32 разрядные регистры и переменные, теоретический максимум составляет 4 ГБ (2 32 байт = 4 294 967 296 байт = 4 ГБ). Однако для процессов доступна только половина этой памяти – 2 ГБ, другая половина отдается системным компонентам. В 64 разрядных системах (x64) теоретический предел равен 16 экзабайт (2 64 байт = 16 777 216 ТБ = 16 ЭБ). При этом процессам выделяется 8 ТБ, ещё столько же отдается системе, остальное адресное пространство в нынешних версиях Windows не используется.

Введение виртуальной памяти, во-первых, позволяет прикладным программистам не заниматься сложными вопросами реального размещения данных в памяти, во-вторых, дает возможность операционной системе запускать несколько процессов одновременно, поскольку вместо дорогого ограниченного ресурса – оперативной памяти, используется дешевая и большая по емкости внешняя память .

Реализация виртуальной памяти в Windows

Схема реализации виртуальной памяти в 32-разрядной операционной системе Windows представлена на рис.11.1. Как уже отмечалось, процессу предоставляется виртуальное адресное пространство размером 4 ГБ, из которых 2 ГБ, расположенных по младшим адресам (0000 0000 – 7FFF FFFF), процесс может использовать по своему усмотрению (пользовательское ВАП), а оставшиеся два гигабайта (8000 0000 – FFFF FFFF) выделяются под системные структуры данных и компоненты (системное ВАП) 1 Специальный ключ /3GB в файле boot.ini увеличивает пользовательское ВАП до 3 ГБ, соответственно, уменьшая системное ВАП до 1 ГБ. Начиная с Windows Vista вместо файла boot.ini используется утилита BCDEDIT. Чтобы увеличить пользовательское ВАП, нужно выполнить следующую команду: bcdedit /Set IncreaseUserVa 3072. При этом, чтобы приложение могло использовать увеличенное ВАП, оно должно компилироваться с ключом /LARGEADDRESSAWARE. . Отметим, что каждый процесс имеет свое собственное пользовательское ВАП, а системное ВАП для всех процессов одно и то же.

Виртуальная память делится на блоки одинакового размера – виртуальные страницы. В Windows страницы бывают большие ( x86 – 4 МБ, x64 – 2 МБ) и малые (4 КБ). Физическая память ( ОЗУ ) также делится на страницы точно такого же размера, как и виртуальная память . Общее количество малых виртуальных страниц процесса в 32 разрядных системах равно 1 048 576 (4 ГБ / 4 КБ = 1 048 576).

Обычно процессы задействуют не весь объем виртуальной памяти, а только небольшую его часть. Соответственно, не имеет смысла (и, часто, возможности) выделять страницу в физической памяти для каждой виртуальной страницы всех процессов. Вместо этого в ОЗУ (говорят, «резидентно») находится ограниченное количество страниц, которые непосредственно необходимы процессу. Такое подмножество виртуальных страниц процесса, расположенных в физической памяти, называется рабочим набором процесса (working set ).

Те виртуальные страницы, которые пока не требуются процессу, операционная система может выгрузить на диск , в специальный файл , называемый файлом подкачки (page file).

Каким образом процесс узнает, где в данный момент находится требуемая страница? Для этого служат специальные структуры данных – таблицы страниц ( page table ).

Структура виртуального адресного пространства

Рассмотрим, из каких элементов состоит виртуальное адресное пространство процесса в 32 разрядных Windows (рис.11.2).

В пользовательском ВАП располагаются исполняемый образ процесса, динамически подключаемые библиотеки ( DLL , dynamic-link library ), куча процесса и стеки потоков.

При запуске программы создается процесс (см. лекцию 6 «Процессы и потоки»), при этом в память загружаются код и данные программы (исполняемый образ, executable image ), а также необходимые программе динамически подключаемые библиотеки ( DLL ). Формируется куча ( heap ) – область, в которой процесс может выделять память динамическим структурам данных (т. е. структурам, размер которых заранее неизвестен, а определяется в ходе выполнения программы). По умолчанию размер кучи составляет 1 МБ, но при компиляции приложения или в ходе выполнения процесса может быть изменен. Кроме того, каждому потоку предоставляется стек (stack) для хранения локальных переменных и параметров функций, также по умолчанию размером 1 МБ.

В системном ВАП расположены:

образы ядра (ntoskrnl.exe), исполнительной системы, HAL (hal.dll), драйверов устройств, требуемых при загрузке системы;
таблицы страниц процесса;
системный кэш;
пул подкачиваемой памяти (paged pool) – системная куча подкачиваемой памяти;
пул подкачиваемой памяти (nonpaged pool) – системная куча неподкачиваемой памяти;
другие элементы (см. [5]).

Переменные, в которых хранятся границы разделов в системном ВАП, приведены в [5, стр. 442]. Вычисляются эти переменные в функции MmInitSystem ( файл base\ntos\mm\mminit.c, строка 373), отвечающей за инициализацию подсистемы памяти. В файле base\ntos\mm\i386\mi386.h приведена структура ВАП и определены константы , связанные с управлением памятью (например, стартовый адрес системного кэша MM_SYSTEM_CACHE_START , строка 199).

Выделение памяти процессам

Существует несколько способов выделения виртуальной памяти процессам при помощи Windows API 2 См. обзор в MSDN «Comparing Memory Allocation Methods» (http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa366533(v=vs.85).aspx). . Рассмотрим два основных способа – с помощью функции VirtualAlloc и с использованием кучи.

1. WinAPI функция VirtualAlloc позволяет резервировать и передавать виртуальную память процессу. При резервировании запрошенный диапазон виртуального адресного пространства закрепляется за процессом (при условии наличия достаточного количества свободных страниц в пользовательском ВАП), соответствующие виртуальные страницы становятся зарезервированными ( reserved ), но доступа к этой памяти у процесса нет – при попытке чтения или записи возникнет исключение . Чтобы получить доступ , процесс должен передать память зарезервированным страницам, которые в этом случае становятся переданными ( commit ).

Отметим, что резервируются участки виртуальной памяти по адресам, кратным значению константы гранулярности выделения памяти MM_ALLOCATION_GRANULARITY ( файл base\ntos\inc\mm.h, строка 54). Это значение равно 64 КБ. Кроме того, размер резервируемой области должен быть кратен размеру страницы (4 КБ).

WinAPI функция VirtualAlloc для выделения памяти использует функцию ядра NtAllocateVirtualMemory ( файл base\ntos\mm\allocvm.c, строка 173).

2. Для более гибкого распределения памяти существует куча процесса, которая управляется диспетчером кучи ( heap manager ). Кучу используют WinAPI функция HeapAlloc , а также оператор языка C malloc и оператор C++ new . Диспетчер кучи предоставляет возможность процессу выделять память с гранулярностью 8 байтов (в 32-разрядных системах), а для обслуживания этих запросов использует те же функции ядра, что и VirtualAlloc.

Дескрипторы виртуальных адресов

Для хранения информации о зарезервированных страницах памяти используются дескрипторы виртуальных адресов ( Virtual Address Descriptors, VAD ). Каждый дескриптор содержит данные об одной зарезервированной области памяти и описывается структурой MMVAD ( файл base\ntos\mm\mi.h, строка 3976).

Границы области определяются двумя полями – StartingVpn (начальный VPN ) и EndingVpn (конечный VPN ). VPN ( Virtual Page Number) – это номер виртуальной страницы; страницы просто нумеруются, начиная с нулевой. Если размер страницы 4 КБ (212 байт ), то VPN получается из виртуального адреса начала страницы отбрасыванием младших 12 бит (или 3 шестнадцатеричных цифр). Например, если виртуальная страница начинается с адреса 0x340000, то VPN такой страницы равен 0x340.

Дескрипторы виртуальных адресов для каждого процесса организованы в сбалансированное двоичное АВЛ дерево 3 АВЛ дерево – структура данных для организации эффективного поиска; двоичное дерево, сбалансированное по высоте. Названо в честь разработчиков – советских ученых Г. М. Адельсон Вельского и Е. М. Ландиса. ( AVL tree ). Для этого в структуре MMVAD имеются поля указатели на левого и правого потомков: LeftChild и RightChild .

Для хранения информации о состоянии области памяти, за которую отвечает дескриптор , в структуре MMVAD содержится поле флагов VadFlags.

Источник

Виртуальная память: Что это и как ее увеличить?

Виртуальная память — что это?

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.