Принцип работы менеджера памяти

Для управления виртуальной памятью в операционной системе Windows предусмотрен специальный менеджер Virtual Memory Manager (VMM). Он является составной частью ядра операционной системы и представляет собой отдельный процесс, постоянно находящийся в оперативной памяти. Основная задача VMM заключается в управлении страницами виртуальной памяти.

Каждому процессу (запущенному приложению) VMM выделяет часть физической памяти, которая называется рабочим набором (Working Set). Кроме того, VMM создает базу состояния страниц (page-frame database), которая организована как шесть списков страниц одного типа. Выделяют следующие типы страниц:

• Valid — рабочая страница используется процессом. Такие страницы памяти реально существуют в физической памяти. Если процесс освобождает страницу памяти, то VMM убирает ее из списка Valid. Если процесс пытается обратиться к странице, которой нет в списке Valid, то генерируется ошибка (Page Fault) и VMM может отвести процессу новую страницу. Страницы типа Valid в таблице страниц описываются как присутствующие (P = 1);
• Modified — модифицированная страница, то есть страница, содержимое которой было изменено. В таблице страниц данные страницы отмечаются как отсутствующие (P = 0) и переходные (T = 1);
• Standby — резервная страница, содержимое которой не изменялось. В таблице страниц такие страницы отмечаются как отсутствующие (P = 0) и переходные (T = 1);
• Free — свободная страница, на которую не ссылается ни один рабочий набор и которой нет ни в одной таблице страниц. В список Free помещаются страницы, которые освободились после окончания процесса. Свободные страницы могут применяться, однако прежде они подлежат процедуре обнуления (заполнения нулями). Процедурой обнуления страниц занимается специальная подпрограмма менеджера памяти Zero Page Thread;
• Zeroed — пустая страница, которая является свободной и обнуленной. Такие страницы готовы к использованию любым процессом;
• Bad — страница, которая вызывает аппаратные ошибки и не может применяться ни одним процессом.

Как уже отмечалось, если какой-нибудь процесс обращается к странице, которой нет в рабочем наборе (в списке Valid), то возникает ошибка обращения к странице. В этом случае задача VMM заключается в том, чтобы разрешить данную конфликтную ситуацию и выделить страницу свободной физической памяти для хранения данных, к которым обратился процесс. Существует несколько способов решения данной конфликтной ситуации. Во-первых, VMM может расширить рабочий набор процесса, добавив к нему необходимую страницу. Однако если в памяти нет места для выделения дополнительных страниц, то VMM замещает страницу, находящуюся в рабочем наборе, новой страницей. Понятно, что в идеале замещению должна подлежать та страница, к которой в будущем не будет обращений, или страница, которая не будет использоваться дольше других. Однако достоверного способа определить, какая именно страница отвечает перечисленным критериям, нет. Поэтому менеджер памяти применяет следующий хитроумный алгоритм. Он периодически просматривает список рабочих страниц (Valid) и помечает их как отсутствующие (P = 0). Однако данные страницы не удаляются из рабочего процесса — они остаются на месте и просто переводятся из категории Valid в категорию модифицированных (Modified) или резервных (Standby) страниц (естественно, никаких изменений в содержимом этих страниц не производится). Если измененная таким образом страница требуется какому-нибудь процессу, то происходит обращение к ней и возникает ошибка обращения к странице. Но поскольку в действительности страница находится в физической памяти и ее содержимое не подвергалось изменению, то менеджеру памяти достаточно просто перевести данную страницу обратно в категорию Valid, сделав ее доступной для процесса. Если же страница не используется в течение длительного времени процессами, то обращений к ней не происходит и она со временем переводится в категорию свободных (Free) страниц, а затем обнуляется и переводится в категорию пустых (Zeroed) страниц.

Таким образом, менеджер памяти автоматически забирает страницы из рабочих наборов неактивных процессов, то есть процессы, не проявляющие активности в течение длительного времени, автоматически освобождают всю физическую память.

На рис. 4 показаны переходы между различными категориями (списками) страниц.

Рис. 4. Переходы между различными категориями страниц памяти