Понятие виртуального ресурса

Виртуальным (virtual) называется ресурс, который пользовательской программе представляется обладающим свойствами, отличными от тех, которые он имеет.

1. Общие методы реализации виртуальной памяти

Термин виртуальная память обычно ассоциируется с возможностью адресовать пространство памяти, гораздо большее, чем емкость реальной памяти конкретной ЭВМ. Концепция виртуальной памяти является далеко не новой. Впервые она была реализована в вычислительной машине Atlas, созданной в Манчестерском университете в Англии в 1960 году. Эта концепция позволяет создавать и запускать приложения, которые требуют памяти больше, чем есть у компьютера.

Суть концепции виртуальной памяти заключается в том, что адреса, к которым обращается выполняющийся процесс, отделяются от адресов, реально существующих в первичной (физической) памяти.

Те адреса, на которые делает ссылки выполняющийся процесс, называются виртуальными, а те адреса, которые существуют в первичной памяти, называются реальным адресами. Диапазон виртуальных адресов, к которым может обращаться выполняющийся процесс, называется пространством виртуальных адресов V этого процесса. Диапазон реальных адресов, существующих в конкретной машине, называется пространством реальных адресов R этого компьютера. Хотя диапазон реальных адресов для конкретного компьютера ограничен объемом имеющейся у него памяти, диапазон виртуальных адресов ограничен только количеством битов в адресе. Каждый бит может быть либо установлен, либо сброшен; таким образом, например, процессор имеющий 32-разрядные адреса, является обладателем виртуального пространства в 2³² байт, или 4 Гбайт.

Несмотря на то, что процессы обращаются только к виртуальным адресам, в действительности они должны работать с реальной памятью. Таким образом, во время выполнения процесса виртуальные адреса необходимо преобразовывать в реальные, причем нужно это делать быстро, т.к. в противном производительности ЭВМ будет резко снижена.

Система виртуальной памяти должна выполнять следующие две основные задачи:

1. отображать некоторое подмножество виртуальных адресов в участки физической памяти;

2. выгружать на диск часть содержимого памяти, когда она переполнится.

Поэтому, если она станет узким местом всей системы, то это резко понизит ее производительность.

1. Динамическое преобразование адресов

Для установления соответствия между виртуальными и реальными адресами разработаны различные способы. Чаще всего используется так называемый механизм динамического преобразования адресов (DAT – Dynamic Adress Transformation), который обеспечивает преобразование виртуальных адресов в реальные во время выполнения процесса. Все подобные системы обладают тем свойством, что смежные адреса виртуального адресного пространства процесса не обязательно будут смежными в реальной памяти. Это свойство называется “ искусственной смежностью ”. Таким образом, пользователь освобождается от необходимости размещения своих процедур и данных в реальной памяти. Он получает возможность писать программы наиболее естественным образом, прорабатывая только алгоритм и структуры программы и игнорируя конкретные особенности структуры аппаратных средств.

Кроме преобразования виртуальных адресов в реальные, перед системой с виртуальной памятью стоит еще одна задача – выгружать на диск часть содержимого памяти, когда она переполняется. При этом ОС определяет, какие данные можно удалить из основной памяти и поместить на временное хранение в файл на жестком диске, который называется файлом подкачки ( страничным файлом, файлом свопинга). Когда эти данные вновь потребуются выполняющемуся процессу, ОС считывает их обратно с диска в память. Такой обмен между основной памятью и внешним запоминающим устройством называется свопингом .