Управление памятью

Трансляция адресов

Трансляция виртуального адреса – это определение реального (физического) расположение ячейки памяти с данным виртуальным адресом, т. е. преобразование виртуального адреса в физический. Принцип трансляции показан на рис.11.1, здесь мы рассмотрим подробности трансляции и детали реализации в WRK.

Из рис.11.1 видно, что информация о соответствии виртуальных адресов физическим хранится в таблицах страниц. В системе для каждого процесса поддерживается множество записей о страницах: если размер страницы 4 КБ, то чтобы хранить информацию обо всех виртуальных страницах в 32 разрядной системе требуется более миллиона записей (4 ГБ / 4 КБ = 1 048 576). Эти записи о страницах сгруппированы в таблицы страниц (Page Table), запись называется PTE (Page Table Entry). В каждой таблице содержится 1024 записи, таким образом, максимальное количество таблиц страниц для процесса – 1024 (1 048 576 / 1024 = 1024). Половина от общего количества – 512 таблиц – отвечают за пользовательское ВАП, другая половина – за системное ВАП.

Таблицы страниц хранятся в виртуальной памяти (см. рис.11.2). Информация о расположении каждой из таблиц страниц находится в каталоге страниц (Page Directory), единственном для процесса. Записи этого каталога называются PDE (Page Directory Entry). Таким образом, процесс трансляции является двухступенчатым: сначала по виртуальному адресу определяется запись PDE в каталоге страниц, затем по этой записи находится соответствующая таблица страниц, запись PTE которой указывает на требуемую страницу в физической памяти.

Откуда процесс знает, где в памяти хранится каталог страниц? За это отвечает поле DirectoryTableBase структуры KPROCESS (файл base\ntos\inc\ke.h, строка 958, первый элемент массива). Схема трансляции адресов показана на рис.11.3.

Рис. 11.3. Трансляция адресов

Записи PDE и PTE представлены структурой MMPTE_HARDWARE (base\ntos\mm\i386\mi386.h, строка 2508), содержащей следующие основные поля:

• флаг (однобитовое поле) Valid: если виртуальная страница расположена в физической памяти, Valid = 1;
• флаг Accessed: если к странице были обращения для чтения, Accessed = 1;
• флаг Dirty: если содержимое страницы было изменено (была произведена операция записи), Dirty = 1;
• флаг LargePage: если страница является большой (4 МБ), LargePage = 1;
• флаг Owner: если страница доступна из пользовательского режима, Owner = 1;
• 20 битовое поле PageFrameNumber: указывает номер страничного фрейма (PFN, Page Frame Number).

В поле PageFrameNumber хранится номер записи в базе данных PFN – системной структуре, отвечающей за информацию о страницах физической памяти. Запись PFN представлена структурой MMPFN (файл base\ntos\mm\mi.h, строка 1710) и подробно описана в [5, стр. 502].

Ошибки страниц

Страница может находиться либо в физической памяти (ОЗУ), либо на диске в файле подкачки.

Если в записи PTE флаг Valid = 1, то страница находится в физической памяти и к ней можно обращаться. Иначе (Valid = 0) – страница недоступна процессу. При попытке доступа к такой странице возникает страничная ошибка (page fault) и вызывается функция MmAccessFault (файл base\ntos\mm\mmfault.c, строка 101).

Причин страничных ошибок существует множество (см. [Руссинович и др., 2008, стр. 463]), мы рассмотрим только одну – страница выгружена в страничный файл (файл подкачки). В этом случае запись PTE имеет тип MMPTE_SOFTWARE (файл base\ntos\mm\i386\mi386.h, строка 2446) и вместо поля PageFrameNumber имеет 20 разрядное поле PageFileHigh, отвечающее за расположение страницы в страничном файле.

Страничные файлы описываются структурой MMPAGING_FILE (base\ntos\mm\mi.h, строка 4239), имеющей следующие поля:

• Size – текущий размер файла (в страницах);
• MaximumSize, MinimumSize – максимальный и минимальный размеры файла (в страницах);
• FreeSpace, CurrentUsage – число свободных и занятых страниц;
• PageFileName – имя файла;
• PageFileNumber – номер файла;
• FileHandle – дескриптор файла.

В 32 разрядных Windows поддерживается до 16 файлов подкачки размером до 4095 МБ каждый. Список файлов подкачки находится в ключе реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management\PagingFiles. Соответствующий системный массив MmPagingFile[MAX_PAGE_FILES] типа PMMPAGING_FILE описывается в файле base\ntos\mm\mi.h (строка 8045).

Пределы памяти

В таблицах 8.1, 8.2 и 8.3 приведены ограничения на виртуальную и физическую память в 32 разрядных и 64 разрядных операционных системах Windows.

Резюме

В лекции изучаются такие важные понятия как виртуальная и физическая память, виртуальное адресное пространство, рабочий набор процесса, файл подкачки. Рассматриваются структура виртуального адресного пространства процесса, способы выделения памяти процессам, дескрипторы виртуальных адресов, ошибки страниц. Описывается процесс трансляции виртуальных адресов в физические. Приводятся ограничения на размер виртуальной и физической памяти в различных версиях Windows.

Следующая лекция посвящена принципам обеспечения безопасности в Windows.

Контрольные вопросы

• Дайте определение "виртуальной памяти". Чем виртуальная память отличается от физической?
• Нарисуйте структуру виртуального адресного пространства в 32 разрядной системе Windows.
• Что такое страница памяти? Какие страницы используются в Windows?
• Опишите достоинства и недостатки различных способов выделения памяти.
• Опишите процесс трансляции адресов. Какую роль в этом процессе играют таблицы страниц? Каталоги страниц?
• Возможно ли в 32 разрядной системе Windows наличие большего объема физической памяти, чем виртуальной памяти процесса?