Оперативная память «физическая» и виртуальная
Оперативная память физически находится в байтах микросхем, которые смонтированы на модулях-платах, вставленных в соответствующие разъемы материнской платы (рис.5.3).
Рисунок 5.3 – Монтаж модуля памяти на материнскую плату.
В многозадачном режиме работы операционной системе приходится размещать в этой памяти активные кусочки всех запущенных процессов. Неактивные (не выполняемые в данный момент) кусочки программ временно записываются в специальный буферный «пейдж-файл» на винчестере, откуда они при необходимости подгружаются в физическую память.
Единицей дробления физической памяти есть «страница» размером 4 кБ. Именно такими порциями ОС отдает процессу физическую память, и именно такими страницами происходит обмен (своппинг) с пейдж-файлом.
Но каждый процесс (запущенная на компьютере программа) об этих нюансах «не знает», подобно тому, как маленький ребенок не знает, откуда в доме берутся продукты и вещи. Как-то. Волшебным образом.
Он (процесс) «наивно полагает» (просим прощения за олицетворение неодушевленного), что он выполняется в адресном пространстве размером 32 ГБ (с адресами от 00000000 до FFFFFFFF). Такая «воображаемая процессом» память названа виртуальной.
Как же это может совмещаться? Предположим, на не самом слабом компьютере установлено 8 ГБ физической памяти. И на нем исполняется, предположим, 27 процессов, и каждый «наивно полагает», что у него в распоряжении по 32 ГБ памяти. Как «поместить» 27 раз по 32 ГБ в имеющиеся на материнке 8 ГБ?
Ответ такой – используется принцип «частичного отображения» страниц виртуальной памяти процесса на отданные (в данный момент) процессу физические страницы.
То есть программа представляется в физической памяти не всеми 32 гигабайтами, только несколькими страничками по 4 кБ, с которыми в данный момент фактически работаетпроцессор. Менеджер памяти операционной системы для каждой физической страницы хранит значения диапазона адресов виртуальной памяти, которые отображаются а эту страницу.
Например, есть физическая 4-килобайтная страница номер 3 (нумерация от 0), ее начальный физический адрес 3*4 кБ = 3 * 4 * 1024 б = 12 * 1024 = 12288 = 3000h. Суффикс «h» означает, что число 16-ричное. (Кому непонятно, откройте Калькулятор, придайте ему Вид –Программист и проверьте вычисления; это не зазорно, мы поступали точно так же). И пусть на неё отображается участок виртуальной памяти процесса с начальным адресом 403000h. (Поскольку страница имеет объем 4 кБ = 1000hбайт , то нетрудно сосчитать, что последний байт этой страницы имеет виртуальный адрес 403000h+ 1000h-1 = 403FFFh. Соответственно, самый старший байт нашей физической страницы имеет физический адрес 3000h+ 0FFFh=3FFFh). Таким образом, когда наш «наивный» процесс что-то читает/пишет в диапазоне виртуальных адресов от 403000hдо 403FFFh, менеджер памяти подсовывает ему физические адреса от 3000hдо 3FFFh. Называется – «отображение»…
Совсем конкретный пример. Процессу нужно прочитать байт с адресом 403011h. Менеджер памяти находит физическую страницу, внутри которой находится интересующий адрес (это как раз рассмотренная выше страница). У этой страницы начальный виртуальный адрес – 403000h. Значит, нужный байт имеет смещение от начала страницы 403011h- 403000h=11hбайт. Отсчитываем это смещение от физического начала страницы 3000hи получаем физический адрес 3000h+11h=3011h. Вот оно «отображение» и есть – процесс «думает», что он читает с адреса 403011h, а фактически (и физически) читается «кремниевый», сидящий в микросхеме байт с физическим адресом 3011h.
Именно так обеспечивается одновременное присутствие в физической памяти практически любого нужного количества параллельно выполняющихся процессов. Просто все они присутствуют в физической памяти не полностью каждый, а только теми фрагментами, которые нужны для выполнения «здесь и сейчас».