Виртуальная память (Virtual Memory) представляет собой программно-аппаратное средство расширения пространства памяти, предоставляемой программе в качестве оперативной. Эта память физически реализуется в оперативной и дисковой памяти под управлением соответствующей операционной системы. Требуется так организовать работу процессора с дисковой памяти, чтобы возникала иллюзия работы только с оперативной памятью.
Виртуальная память делит физическую память на блоки и распределяет их между различными задачами. При этом обеспечивается иллюзия того, что каждая задача и в самом деле исполняется на машине с огромным количеством реальной оперативной памяти.
Системы виртуальной памяти можно разделить на два класса: системы с фиксированным размером блоков, называемых страницами, и системы с переменным размером блоков, называемых сегментами.
Виртуальное пространство памяти разбито на страницы фиксированного размера, а в физической оперативной памяти в каждый момент времени присутствует только часть из них. Остальные страницы хранятся на диске, откуда операционная система может "подкачать" их в физическую память, предварительно выгрузив на диск часть неиспользуемых в данный момент модифицированных страниц. Обращение процессора к ячейке виртуальной памяти, присутствующей в физической памяти, происходит обычным способом. Если же затребованная область в данный момент не отображена в физической памяти, процессор вырабатывает исключение (внутреннее прерывание), по которому операционная система программно организует замещение страниц, называемое свопингом (Swapping). Виртуальную память поддерживают процессоры, работающие в защищенном режиме, начиная с 80286, но реально ее широко стали использовать только в операционных системах и оболочках для 32-разрядных процессоров (80386 и далее). Максимальный объем виртуальной памяти определяется размером файла подкачки (Swap File), выделяемом на жестком диске для нужд виртуальной памяти.
При использовании страничной адресации в специальные сегментные регистры процессора загружаются селекторы, базовые адреса которых равны нулю, а размер сегмента составляет 4 Гбайта. И хотя для микропроцессора механизм сегментной адресации продолжает работать, основным механизмом формирования адреса становится страничная адресация. Такая модель памяти и называется плоской (FLAT). Логическая адресация в такой модели определяется только смещением. Для программиста область памяти, адресуемая смещением, находится в полном распоряжении. Это и есть логический адрес, который преобразуется операционной системой в физический.
Применительно к виртуальной памяти различают три адресных пространства: логическое, линейное и физическое.
Логический адрес формируется при обращении к виртуальному адресному пространству.
Блок сегментации транслирует логический адрес в линейный. Физический адрес образуется после преобразования линейного адреса блоком страничной переадресации. И так, выполняемая программа загружается в оперативную память не целиком, а отдельными страницами (рис1.). Страница с которой работает процессор называется активной.
Рис.1. Отражение страниц дискового пространства
на пространство оперативной памяти.
В случае динамического распределения памяти (по запросу программы), адрес содержит номер виртуальной страницы и номер слова в странице. Для защиты памяти от записи и чтения другими процессами необходима соответствующая схема трансляции адреса, которая разрешает доступ к данной области памяти только определенной задаче.
Соответствие между физическим положением данных в памяти и адресом существует только для основной (оперативной) памяти, виртуальная память использует всю иерархическую структуру памяти как непрерывно адресуемую.
Задача управления виртуальной памятью возлагается на операционную систему. Различные операционные системы по-разному решают вопросы управления памятью.
Механизмы управления памятью решают две главные задачи:
1. Трансляцию виртуального адресного пространства процесса на физическую память. Это позволяет ссылаться на конкретные адреса физической памяти потокам процесса, работающим в виртуальном адресном пространстве.
2. Подкачку части содержимого памяти с диска, когда потоки пытаются задействовать больший объем физической памяти, чем тот, который имеется в наличии, и выгрузку страниц обратно по мере необходимости.
