□ Во-первых, трудно себе представить механизм, защищающий адресное пространство одного процесса, от адресного пространства другого или, что более важно, от адресного пространства самой операционной системы. Поскольку каждый процесс работает с физическими адресами, нет никакой гарантии, что процесс не обратится к ячейкам памяти, принадлежащим другим процессам или ядру системы. Последствия такого обращения скорее всего будут весьма плачевными.
□ Во-вторых, уже на этапе компиляции необходимо было бы предусмотреть распределение существующего физического адресного пространства. При запуске каждый процесс должен занимать непрерывную и непересекающуюся область физических адресов.
□ В-третьих, подобное распределение памяти между процессами вряд ли можно назвать оптимальным. Объем физической оперативной памяти будет существенным образом ограничивать число процессов, одновременно выполняющихся в системе. Так восемь процессов, каждый из которых занимает 1 Мбайт памяти, исчерпают 8 Мбайт оперативной памяти, а операционная система при средней загрузке насчитывает более 80 процессов!
Все перечисленные проблемы преодолимы с помощью виртуальной памяти. При этом адреса, используемые приложениями и самим ядром, не обязаны соответствовать физическим адресам. Виртуальные адреса транслируются или отображаются в физические на аппаратном уровне при активном участии ядра операционной системы.
Смысл виртуальной памяти заключается в том, что каждый процесс выполняется в собственном виртуальном адресном пространстве. Виртуальное адресное пространство — настоящий рай для процесса. Во-первых, у процесса создается ощущение исключительности — ведь все адресное пространство принадлежит только ему. Во-вторых, он больше не ограничен объемом физической памяти — виртуальная память может значительно превышать физическую. В результате процессы становятся изолированными друг от друга и не имеют возможности (даже при желании) "хозяйничать" в адресном пространстве соседа. Физическая память распределяется максимально эффективно — она не зависит от распределения виртуальной памяти отдельного процесса.
Очевидно, что для реализации виртуальной памяти необходим управляемый механизм отображения виртуального адреса в физический. В современных компьютерных системах процесс отображения выполняется на аппаратном уровне (с помощью обеспечивая высокую скорость трансляции. Операционная система осуществляет управление этим процессом.
Современные процессоры, как правило, поддерживают объединение адресного пространства в области переменного размера — сегменты и области фиксированного размера — страницы. При этом для каждого сегмента или страницы может быть задано собственное отображение виртуальных адресов в физические.
На рис. 3.4 показана взаимосвязь между виртуальным и физическим адресным пространством. Виртуальное адресное пространство процесса, как правило, является последовательным в рамках уже знакомых нам сегментов — кода, данных, стека и библиотек. Расположение соответствующих областей физической памяти может иметь фрагментированный характер, позволяя оптимально распределять память между процессами.
Рис. 3.4. Виртуальная и физическая память
Размер виртуальной памяти может существенно превышать размер физической за счет использования вторичной памяти или области свопинга — как правило, дискового пространства, где могут сохраняться временно не используемые участки адресного пространства процесса. Например, если при выполнении процесса происходит обращение к виртуальному адресу, для которого присутствует соответствующая страница физической памяти, операция чтения или записи завершится успешно. Если страница в оперативной памяти отсутствует, процессор генерирует аппаратное прерывание, называемое страничной ошибкой (page fault), в ответ на которое ядро определяет положение сохраненного содержимого страницы в области свопинга, считывает страницу в память, устанавливает параметры отображения виртуальных адресов в физические и сообщает процессору о необходимости повторить операцию. Все эти действия невидимы для приложения, которое работает с виртуальной памятью.
Механизм отображения виртуальных адресов в физические (трансляция адреса) существенным образом зависит от конкретной аппаратной реализации. Чтобы наше обсуждение не носило слишком абстрактного характера, в этом разделе рассмотрим механизм отображения виртуальных адресов в физические в операционной системе SCO UNIX на примере семейства процессоров Intel. Однако, как и для остальных подсистем UNIX, основные принципы отличаются мало, и данное изложение поможет читателю представить механизмы управления памятью и разобраться, при необходимости, в конкретной реализации.
Сегменты
Семейство процессоров Intel позволяет разделить память на несколько логических частей, называемых сегментами. При этом адресное пространство процесса может быть представлено в виде нескольких логических сегментов, каждый из которых состоит из непрерывной последовательности адресов, лежащих в заданном диапазоне. Трансляция адресов, основанная на сегментации, предусматривает однозначное отображение адресов сегмента в непрерывную последовательность физических адресов. Виртуальный адрес при этом состоит из двух частей: селектора сегмента и смещения относительно начала сегмента. Селектор (точнее, поле селектора INDEX) указывает на так называемый дескриптор сегмента, содержащий такие параметры, как его расположение в памяти, размер и права доступа.
Процессор поддерживает косвенную адресацию сегментов через дескрипторы сегментов, которые располагаются в специальных таблицах — областях памяти, на которые указывают предназначенные для этого регистры процессора. Ядро операционной системы отвечает за заполнение этих таблиц и установку значений регистров. Другими словами, ядро задает отображение, а процессор выполняет отображение на аппаратном уровне. Благодаря такой косвенной адресации логические сегменты защищены друг от друга, что обеспечивает целостность адресного пространства процесса и ядра.
Дескрипторы сегментов расположены в двух системных таблицах — локальной таблице дескрипторов (Local Descriptor Table — LDT) и глобальной таблице дескрипторов (Global Descriptor Table — GDT). Как следует из названия, LDT обеспечивает трансляцию виртуальных адресов сегментов процесса, в то время как GDT обслуживает адресное пространство ядра (например, при обработке системного вызова или прерывания). Для каждого процесса создается собственная LDT, в то время как GDT разделяется всеми процессами. Информация о таблице, на которую указывает селектор, находится в самом селекторе, вид которого представлен на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Селектор сегмента
Если бит TI равен 0, то селектор указывает на GDT, в противном случае используется LDT. Поле RPL задает уровень привилегий сегмента и является одним из механизмов обеспечения защиты сегментов. Например, если процесс, находясь в режиме задачи, попытается обратиться к сегменту, принадлежащему ядру, процессор сгенерирует особую ситуацию, в ответ на это ядро отправит процессу сигнал SIGSEGV.