Программирование для Windows NT

Виртуальная память в Microsoft Windows NT

В основе всей системы управления памятью Microsoft Windows NT лежит система виртуальной памяти, встроенная в ядро операционной системы. Эта система позволяет приложениям использовать области памяти, размер которых значительно превышает объем установленной в компьютере физической оперативной памяти.

Насколько значительно?

Каждое приложение, запущенное в среде Microsoft Windows NT, может адресовать до 2 Гбайт виртуальной памяти. Причем для каждого приложения выделяется отдельное пространство виртуальной памяти, так что если, например, вы запустили 10 приложений, то в сумме они могут использовать до 20 Гбайт виртуальной памяти. При всем при этом в компьютере может быть установлено всего лишь 16 Мбайт физической оперативной памяти.

Казалось бы, зачем приложениям столько памяти?

Заметим, однако, что требования программ к объему оперативной памяти растут очень быстро. Еще совсем недавно были в ходу компьютеры с объемом оперативной памяти всего 1 - 4 Мбайт. Однако современные приложения, особенно связанные с обработкой графической или мультимедийной информации предъявляют повышенные требования к этому ресурсу. Например, размер файла с графическим изображением True Color может достигать десятков Мбайт, а размер файла с видеоизображением - сотен Мбайт. Без использования виртуальной памяти возможность работы с такими файлами была бы проблематичной.

Так же как и в операционной системе Microsoft Windows версии 3.1, в Microsoft Windows NT для создания виртуальной памяти используются дисковые устройства (рис. 1.8). Система виртуальной памяти Microsoft Windows NT позволяет создать до 16 отдельных файлов страниц, расположенных на разных дисковых устройствах, установленных в компьютере. Так как максимальный объем доступной виртуальной памяти определяется объемом использованных для нее дисковых устройств, то при необходимости вы можете, например, подключить к компьютеру несколько дисков большой емкости и разместить на них файлы страниц. Сегодня стали уже вполне доступными дисковые устройства с объемом 4 - 10 Гбайт, что позволяет в Microsoft Windows NT создавать виртуальную память действительно большого размера.

Рис. 1.8. Виртуальная память в Microsoft Windows NT создается с использованием оперативной памяти и дисковых устройств

Еще один случай, когда вашему приложению может пригодится виртуальная память объемом 2 Гбайта, это использование файлов, отображаемых на память. Выполнив такое отображение в свое адресное пространство, приложение может обращаться к файлу, как к обычному массиву, расположенному в оперативной памяти. При этом все необходимые операции ввода/вывода выполняются автоматически системой управления виртуальной памятью, так что приложение не должно об этом заботиться. Отобразив на память файл реляционной базы данных, вы можете обращаться к записям этого файла по индексу как к элементам массива, что значительно упрощает программирование.

Несегментированная модель памяти FLAT XE "FLAT"

Операционная система Microsoft Windows NT использует все возможности защищенного режима процессора, в частности, переключение задач и страничную адресацию. Схема преобразования адреса похожа на ту, что была применена в Microsoft Windows версии 3.1, однако есть много отличий.

Наиболее значительное - полный отказ от использования сегментированной модели памяти в 32-разрядных приложениях, к которой вы привыкли, создавая программы для MS-DOS и Microsoft Windows версии 3.1. В самом деле, используя 32-разрядное смещение, приложение может работать с памятью объемом 4 Гбайт без использования сегментных регистров процессора.

Поэтому, хотя логический адрес по-прежнему состоит из компонент селектора и смещения, приложения Microsoft Windows NT при обращении к памяти указывают только компоненту смещения. Сегментные регистры процессора, хранящие селекторы, заполняются операционной системой и приложение не должно их изменять.

Несегментированная модель памяти называется сплошной моделью памяти FLAT XE "FLAT" . При программировании в этой модели памяти вам не потребуются ключевые слова near и far, так как все объекты, расположенные в памяти, адресуются с использованием только одного смещения. В этом модель памяти FLAT напоминает модель памяти TINY XE "TINY" , с тем исключением, однако, что в последней размер адресуемой памяти не может превышать 64 Кбайт (из-за того что в модели TINY используется один сегмент и 16-разрядное смещение).

Таким образом, в распоряжении каждого приложения (или точнее говоря, каждого процесса) Microsoft Windows NT предоставляется линейное адресное пространство размером 4 Гбайта. Область размером 2 Гбайта с диапазоном адресов от 00000000h до 7FFFFFFFh предоставлена в распоряжение приложению, другие же 2 Гбайта адресуемого пространства зарезервированы для использования операционной системой (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Адресное пространство приложения Microsoft Windows NT

Как это показано на рис. 1.9, небольшая часть адресного пространства в пределах первых 2 Гбайт также зарезервирована для операционной системы. Это области размером 64 Кбайта, расположенные в самом начале адресного пространства, а также в конце первых 2 Гбайт, и предназначенные для обнаружения попыток использования неправильных указателей. Таким образом, приложения не могут адресовать память в диапазонах адресов 00000000h - 0000FFFFh и 7FFF0000h - 7FFFFFFFh.

Изолированные адресные пространства

Для обеспечения необходимой надежности работы в Microsoft Windows NT адресные пространства всех запущенных приложений разделены. Такое разделение выполняется с помощью назначения приложениям индивидуальных наборов таблиц страниц вируальной памяти. В результате для каждого приложения выполняется отображение линейных адресов в собственный набор страниц виртуальной памяти, не пересекающийся с набором страниц других приложений.

Заметим, что приложение не имеет физической возможности выполнить адресацию памяти в пространстве, принадлежащем другому приложению. Какой бы линейный адрес ни задавало приложение, этот адрес всегда будет соответствовать одной из страниц, принадлежащих самому приложению. Такое положение дел обеспечивается системой управления виртуальной памятью Microsoft Windows NT и значительно повышает устойчивость операционной системы.

Однако полное изолирование адресных пространств создает трудности при необходимости организации обмена данными между различными приложениями. Вы не можете просто так передать указатель на область памяти из одного приложения в другое, так как в контексте другого приложения содержимое этого указателя не будет иметь смысла. Так как адресные пространства приложений изолированы, одному и тому же значению линейного адреса будут соотвтетсвовать ячейки памяти, расположенные в разных страницах.

В операционной системе Microsoft Windows версии 3.1 все приложения работали в одном адресном пространстве. Поэтому для передачи данных между приложениями можно было заказать область памяти в глобальном пуле с помощью функции GlobalAlloc XE "GlobalAlloc" и затем передать адрес этой области другому приложению. В Microsoft Windows NT этот метод работать не будет.

Выход, тем не менее, есть. Ничто не мешает операционной системе создать в каталоге страниц нескольких приложений специальный дескриптор, указывающий на страницы виртуальной памяти общего пользования. Такие дескрипторы называются дескрипторами прототипа PTE XE "дескриптор прототипа PTE" (Prototype Page Table Entry XE "Prototype Page Table Entry" ) и используются для совместного использования страниц памяти в операционной системе Microsoft Windows NT.

Дескрипторы PTE создаются для совместного использования страниц, содержащих исполнимый программный код, а также для работы с файлами, отображаемыми на память. Есть также способ организации общей памяти при помощи библиотек динамической компоновки DLL.

Поэтому если вам потребуется организовать передачу данных между приложениями, вы сможете всегда это сделать, например, через файл, отображаемый на память.

Дескрипторы страниц памяти

Как мы уже говорили, таблица страниц содержит дескрипторы, описывающие отдельные страницы памяти. Эти дескрипторы содержат физические адреса страниц, а так же другую информацию.

На рис. 1.10 показан формат дескриптора страницы XE "дескриптор страницы памяти" .

Рис. 1.10. Формат дескриптора страницы

Физический адрес страницы имеет 20 разрядов. Для получения 32-разрядного физического адреса байта внутри страницы к нему добавляются 12 байт смещения, взятые из линейного адреса, как это было показано на рис. 1.7.

Устанавливая соответствующим образом биты защиты, операционная система может отметить страницу как доступную для чтения и записи, только для чтения, или как недоступную. При попытке выполнить обращение для выполнения неразрешенной операции возникает аппаратное прерывание.

Биты с 3 по 6 содержат номер файла страниц, в котором находится страница, соответствующая данному дескриптору. Напомним, что в отличие от Microsoft Windows версии 3.1, операционная система Microsoft Windows NT позволяет создать до 16 файлов страниц.

Биты с 0 по 2 описывают состояние страницы памяти. Станица может быть отмечена флагами T (находится в переходном состоянии), D (обновленная, но не сохраненная в файле страниц), и P (присутствующая в памяти). Если приложение выполняет попытку обращения к странице памяти, которой нет в памяти, возникает аппаратное прерывание и нужная страница автоматически читается из соответствующего файла страниц в физическую оперативную память. После этого работа приложения продолжается.

Состояние страниц памяти

В дополнение к трем битам состояния страниц, хранящихся в дескрипторах страниц, система управления виртуальной памятью хранит состояние страниц XE "состояние страниц памяти" в специальной базе данных страниц. В этой базе данных страница может быть отмечена как имеющая одно из следующих состояний:

Обратите внимание, что если часть оперативной памяти неисправна, есть вероятность, что операционная система Microsoft Windows NT сможет продолжить работу. Неисправные страницы будут отмечены в базе данных страниц как плохие и к ним не будет выполняться обращение.