Управление виртуальной памятью в Win32. Общие принципы.

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Управление виртуальной памятью в Win32. Общие принципы.

Содержание

2. Менеджер виртуальной памяти управление виртуальными адресными пространствами процессов; разделение памяти между процессами; защита виртуальной памяти одного
3. Менеджер виртуальной памяти Менеджер виртуальной памяти (VMM) является составной частью ядра ОС. Приложения не могут получить
4. Архитектура API управления памятью
5. Адресное пространство процесса Standart Enterprise
6. Средства защиты памяти Объектно-ориентированная защита памяти. Каждый раз, когда процесс открывает указатель на блок адресов, монитор
7. Операционные системы Управление виртуальной памятью в Win32. Страничное преобразование.
8. Страничное преобразование Виртуальная память в Windows имеет страничную организацию, принятую во многих современных ОС. Процессоры Intel
9. Страничное преобразование 32-разрядный виртуальный адрес в ОС Windows разбивается на три части: Старшие 10 разрядов адреса
10. Cвопинг Для того, чтобы обеспечить все линейное адресное пространство процесса физическими ячейками памяти, Windows применяет свопинг.
11. Страничное преобразование Элемент таблицы страниц (Page Table Element)
12. Элемент таблицы страниц Защита – Win32 API поддерживает ряд значений, в том числе: PAGE_NOACCESS, PAGE_READONLY, PAGE_READWRITE,
13. Отдельные состояния страниц Valid – страница используется процессом. Она реально существует в ОП и помечена в
14. Отдельные состояния страниц
15. Стратегия управления виртуальной памятью Стратегия выборки (fetch policy) Стратегия размещения (placement policy) Стратегия замещения (replacement policy)
16. Стратегия выборки Стратегия выборки (fetch policy): Выборка определяет, в какой момент необходимо переписать страницу с диска
17. Стратегия размещения Стратегия выборки (fetch policy) Стратегия размещения (placement policy): Размещение определяет, в какое место оперативной
18. Стратегия замещения Стратегия выборки (fetch policy) Стратегия размещения (placement policy) Стратегия замещения (replacement policy): Замещение начинает
19. Реализация свопинга
20. Реализация алгоритма замещения LRU VMM периодически просматривает список страниц с атрибутом Valid и пытается похитить их
22. Скачать презентацию

Слайд 2

Менеджер виртуальной памяти
управление виртуальными адресными пространствами процессов;
разделение памяти между процессами;

защита виртуальной памяти одного процесса от других процессов.

Слайд 3

Менеджер виртуальной памяти
Менеджер виртуальной памяти (VMM) является составной частью ядра ОС.

Приложения не могут получить к нему прямой доступ.
Для управления памятью прикладным программам предоставляются различные интерфейсы (API).
Virtual Memory API - набор функций, позволяющих приложению работать с виртуальным адресным пространством: назначать физические страницы блоку адресов и освобождать их, устанавливать атрибуты защиты.
Memory Mapped File API - набор функций, позволяющий работать с файлами, отображаемыми в память. Новый механизм, предоставляемый Win32 API для работы с файлами и взаимодействия процессов.
Heap Memory API - набор функций, позволяющих работать с динамически распределяемыми областями памяти (кучами).
Local, Global Memory API - набор функций работы с памятью, совместимых с 16-битной Windows. Следует избегать их использования.
CRT Memory API - функции стандартной библиотеки языка “С” периода исполнения (runtime).

Слайд 4

Архитектура API управления памятью

Слайд 5

Адресное пространство процесса
Standart Enterprise

Слайд 6

Средства защиты памяти
Объектно-ориентированная защита памяти. Каждый раз, когда процесс открывает

указатель на блок адресов, монитор ссылок безопасности проверяет, разрешен ли доступ процесса к данному объекту.
Отдельное адресное пространство для каждого процесса. Аппаратура запрещает процессу доступ к физическим адресам другого процесса.
Два режима работы: режим ядра, в котором процессам разрешен доступ к системным данным, и пользовательский режим, в котором это запрещен.
Страничный механизм защиты. Каждая виртуальная страница имеет набор признаков, который определяет разрешенные типы доступа в пользовательском режиме и в режиме ядра.
Принудительная очистка страниц, освобождаемых процессами.

Слайд 7

Операционные системы
Управление виртуальной памятью в Win32.
Страничное преобразование.

Слайд 8

Страничное преобразование
Виртуальная память в Windows имеет страничную организацию, принятую во многих

современных ОС. Процессоры Intel начиная с Pentium Pro позволяют ОС применять одно-, двух- и трехступенчатые схемы. И даже разрешается одновременное использование страниц различного размера. Эта возможность, конечно, повысила бы эффективность страничного преобразования, будь она внедрена в Windows. Однако Windows возникла раньше и поддерживает только двухступенчатую схему преобразования с фиксированным размером страниц.
Каждому процессу назначается свой каталог страниц. Именно поэтому адресное пространство каждого процесса изолировано, что очень хорошо с точки зрения защиты процессов друг от друга.

Слайд 9

Страничное преобразование
32-разрядный виртуальный адрес в ОС Windows разбивается на три части:
Старшие

10 разрядов адреса определяют номер одного из 1024 элементов в каталоге страниц, адрес которого находится в регистре процессора CR3. Этот элемент содержит физический адрес таблицы страниц.
Следующие 10 разрядов линейного адреса определяют номер элемента таблицы. Элемент, в свою очередь, содержит физический адрес страницы виртуальной памяти.
Размер страницы - 4 Кбайт, и младших 12 разрядов линейного адреса как раз хватает (212 = 4096), чтобы определить точный физический номер адресуемой ячейки памяти внутри этой страницы.

Слайд 10

Cвопинг
Для того, чтобы обеспечить все линейное адресное пространство процесса физическими ячейками

памяти, Windows применяет свопинг.
Организацией свопинга занимается VMM. При генерации системы на диске образуется специальный файл свопинга, куда записываются те страницы, которым не находится места в физической памяти. Процессы могут захватывать память в своем ВАП и, затем, использовать ее. Страница может иметь различные состояния.
VMM использует локальный алгоритм LRU (Least Recently Used) – замещение дольше всех неиспользовавшихся страниц.

Слайд 11

Страничное преобразование
Элемент таблицы страниц (Page Table Element)

Слайд 12

Элемент таблицы страниц
Защита – Win32 API поддерживает ряд значений, в том

числе: PAGE_NOACCESS, PAGE_READONLY, PAGE_READWRITE, PAGE_EXECUTE.
Базовый физический адрес страницы в памяти.
Pagefile – индекс используемого файла подкачки (один из 16 возможных в системе файлов).
State – состояние страницы в системе:
T (Transition) – отмечает страницу как переходную;
D (Dirty) – страница, в которую была произведена запись;
P (Present) – страница присутствует в ОП или находится в файле подкачки.

Слайд 13

Отдельные состояния страниц
Valid – страница используется процессом. Она реально существует в

ОП и помечена в PTE как присутствующая в рабочем множестве процесса (P=1, D=0,1).
Modified – содержимое страницы было изменено (D=1). В PTE страница помечена как отсутствующая (P=0) и переходная (T=1).
Standby – содержимое страницы не изменялось (D=0). В PTE страница помечена как отсутствующая (P=0) и переходная (T=1).
Free – страница, на которую не ссылается ни один PTE. Страница свободна, но подлежит обнулению, прежде чем будет использована.
Zeroed – свободная и обнуленная страница, пригодная к непосредственному использованию любым процессом.
Bad – страница, которая вызывает аппаратные ошибки и не может быть использована ни одним процессом.

Слайд 14

Отдельные состояния страниц

Слайд 15

Стратегия управления виртуальной памятью
Стратегия выборки (fetch policy)
Стратегия размещения (placement policy)

Стратегия замещения (replacement policy)

Слайд 16

Стратегия выборки
Стратегия выборки (fetch policy):
Выборка определяет, в какой момент необходимо переписать

страницу с диска в ОП.
В Windows используется классическая схема выборки с упреждением: система переписывает в память не только выбранную страницу, но и несколько следующих по принципу пространственной локальности, гласящему: наиболее вероятным является обращение к тем ячейкам памяти, которые находятся в непосредственной близости от ячейки, к которой производится обращение в настоящий момент. Поэтому вероятность того, что будут востребованы последовательные страницы, достаточна высока. Их упреждающая подкачка позволяет снизить накладные расходы, связанные с обработкой прерываний.
Стратегия размещения (placement policy)
Стратегия замещения (replacement policy)

Слайд 17

Стратегия размещения
Стратегия выборки (fetch policy)
Стратегия размещения (placement policy):
Размещение определяет, в

какое место оперативной памяти необходимо поместить подгружаемую страницу.
Для систем со страничной организацией данная стратегия практически не имеет никакого значения, и поэтому Windows выбирает первую попавшуюся свободную страницу.
Стратегия замещения (replacement policy)

Слайд 18

Стратегия замещения
Стратегия выборки (fetch policy)
Стратегия размещения (placement policy)
Стратегия замещения

(replacement policy):
Замещение начинает действовать с того момента, когда в оперативной памяти компьютера не остается свободного места для размещения подгружаемой страницы. В этом случае необходимо решить, какую страницу вытеснить из физической памяти в файл подкачки (свопинг).

Слайд 19

Реализация свопинга

Слайд 20

Реализация алгоритма замещения LRU
VMM периодически просматривает список страниц с атрибутом Valid

и пытается похитить их у процесса (1). Он помечает их как отсутствующие (P=0), но на самом деле оставляет их на месте, только переводит в разряд Modified или Standby в зависимости от значения бита D из PTE.
Если содержимое страницы была изменено в ОП (D=1), то VMM выполнит запись страницы на диск (4).
Если похищенная страница принадлежит рабочему множеству, то к ней в ближайшее время произойдет обращение. Это, конечно, вызовет исключение - ведь страница-то помечена как отсутствующая. Но VMM очень быстро сделает эту страницу вновь доступной процессу, поскольку она реально находится в памяти (2).
Далее если к странице не будет обращений (страница вне рабочего множества), то она со временем перейдет в состояние Free (5) и станет доступна для замещения страниц в рамках данного процесса (6).
Затем системный поток обнуляет страницу - Zeroed (7), и она станет доступна другим процессам системы (8).

Управление виртуальной памятью в Win32. Общие принципы.

Содержание

Менеджер виртуальной памятиуправление виртуальными адресными пространствами процессов; разделение памяти между процессами;

Менеджер виртуальной памятиМенеджер виртуальной памяти (VMM) является составной частью ядра ОС.

Архитектура API управления памятью

Адресное пространство процесса Standart Enterprise

Средства защиты памяти Объектно-ориентированная защита памяти. Каждый раз, когда процесс открывает

Операционные системыУправление виртуальной памятью в Win32. Страничное преобразование.

Страничное преобразованиеВиртуальная память в Windows имеет страничную организацию, принятую во многих

Страничное преобразование32-разрядный виртуальный адрес в ОС Windows разбивается на три части:Старшие

CвопингДля того, чтобы обеспечить все линейное адресное пространство процесса физическими ячейками

Страничное преобразование Элемент таблицы страниц (Page Table Element)

Элемент таблицы страницЗащита – Win32 API поддерживает ряд значений, в том

Отдельные состояния страницValid – страница используется процессом. Она реально существует в