Virtuálna pamäť: Rozdiel medzi revíziami

'''Virtuálna pamäť''' je označenie pre schému [[správa pamäte|správy pamäte]] v [[multitasking|multitaskových]] [[operačný systém|operačných systémoch]]. Lineárny adresný priestor sa mapuje podľa potreby do [[fyzická pamäť|fyzickej pamäte]]. Rieši zvyčajne problém obmedzenia veľkosti fyzickej pamäte (v systémoch so [[stránkovanie|stránkovaním]] a [[swapovanie|swapovaním]]).

Efektívne použitie virtuálnej pamäte je závislé na podpore procesora[[procesor]]a. [[Memory management unit|MMU]] (jednotka pre správu pamäte) vykonáva samotný preklad logickej (virtuálnej) adresy na fyzickú. Pre procesy je proces mapovania transparentný, operačný systém im ponúka model lineárnej pamäte.

Virtuálna pamäť je technika dovoľujúca vykonanie procesov[[proces]]ov, ktoré sa nenachádzajú v operačnej pamäti celé. Výhodou tejto techniky je, že poskytuje používateľovi veľký pamäťový priestor pri využití malého množstva fyzickej pamäte. Zjednodušuje prácu programátora[[programátor]]a, pretože nie je potrebné vytvárať segmenty[[segment]]y pre prekrytie a plánovať ich poradie zavedenia do pamäte. Tieto úlohy preberá správa pamäte.

Virtuálna adresná pamäť je typicky implementovaná v [[stránková pamäť|stránkovej pamäti]] systému (paged memory) často v kombinácii s pamäťovým swapovaním (anonymous memory paging). Pamäťové stránky uložené do primárneho pamäťového priestoru sú prepisované do sekundárneho pamäťového priestoru (stránkovací súbor, swapovací súbor, swapovacia partícia), čím systém uvoľňuje primárny pamäťový priestor pre načítanie ďalších porocesov. Virtuálna pamäť dovoľuje aplikácii využívať väčší pamäťový adresný priestor, ktorý nie je pevne viazaný na fyzickej pamäti.

Väčšina počítačov obsahuje štyri základné druhy pamäte: [[Register (procesor)|registre v procesore]] a [[Rýchla vyrovnávacia pamäť procesora|cache pamäť procesoru]] (priamo spojené s procesorom), [[operačná pamäť|operačnú pamäť]] (umožňujúcu procesoru zapisovať a čítať pomerne rýchlo) a [[diskový odkladací priestor]] (zápis a čítanie je rádovo pomalšie, ale priestor je väčší).

Použitie registrov procesora je zvyčajne ovládané kompilátorom[[kompilátor]]om. Rozhodnutie kedy bude použitá cache pamäť a kedy hlavná operačná pamäť je ovládané zväčša hardvérom[[hardvér]]om počítača, pretože obidva druhy pamäte sú považované za fyzickú pamäť.

# Jednou z možností je nechať rozhodnutie o druhu použitej pamäte pre konkrétnu informáciu a proces manipulácie s ňou priamo na samotnú aplikáciu. Nevýhodou tohto prístupu je že programátor aplikácie musí stráviť [[čas]] a úsilie na návrh, implementáciu a odstraňovanie chýb správy pamäte namiesto toho, aby sa sa zameriaval na vlastnú aplikáciu, čo veľmi znižuje efektivitu jeho práce. Taktiež môže dochádzať ku konfliktom programov, ktoré chcú používať fyzickú pamäť v rovnakom čase.

# Inou možnosťou je nepracovať s dátami[[dáta]]mi priamo vo forme smerníkov[[smerník]]ov, ale prideliť im istú formu handlerov[[handler]]ov a nechať operačný systém swapovať dáta združené s týmito handlermi medzi odkladacou oblasťou a fyzickou pamäťou. Problémom je, že tento postup komplikuje aplikačný kód a vyžaduje isté formy správania od aplikácie – dáta je potrebné uzamknúť do fyzickej pamäte, aby sa s nimi mohlo pracovať, pričom sa obchádzajú jazykové jazykové[[knižnica (programovanie)|knižnice]], ktoré robia vlastné prideľovanie pamäte vo forme veľkých blokov[[blok]]ov, čo urýchľuje beh systému. Príkladom takéhoto druhu usporiadania je 16 bitová verzia operačného systému [[Microsoft Windows|Windows]].

# Moderné riešenie je v použití virtuálnej pamäte, v ktorej kombinácia špeciálneho hardvéru a operačného systému dovoľuje použiť oba druhy pamäte tak, že vytvárajú dojem väčšej fyzickej pamäte. Pre programy sa táto pamäť javí spoločne ako jedna súčasť. Teoreticky poskytuje schopnosť napodobniť hlavnú pamäť ľubovolnej veľkosti, v praxi je hranica veľkosti limitovaná adresným priestorom (pre 32 bitové operačné systémy 4 GB, pre 64 bitové operačné systémy to môže byť oveľa viac).

Virtuálna pamäť je zvyčajne implementovaná použitím [[stránka (informatika)|stránok]]. Procesy sú umiestnené na disku. Keď chceme vykonávať proces, presunieme ho do pamäte, nemusíme ho však do pamäte presúvať celý, ale len jeho časť. Za tento proces je zodpovedný tzv. [[stránkovač]] - pager. Stránkovač predpokladá, ktoré stránky budú pre beh procesu potrebné a presunie ich do pamäti, čím sa zníži réžia potrebná na výmenu procesov v pamäti.

V stránke najnižšie poradie bitov virtuálnej adresy je zachované a užívané priamo ako najnižšie poradie bitov aktuálnej fyzickej adresy. Najvyššie poradie bitov je považované za kľúče jednej alebo viacerých adries prekladacej tabuľky, ktoré poskytujú vysoké poradie bitov aktuálnej fyzickej adresy. Pre tento dôvod rozsah za sebou idúcich adries vo virtuálnom adresnom priestore, bude prekladaný v odpovedajúcom rozsahu súvisiacich fyzických adries. Pamäť zodpovedajúca takémuto rozsahu je nazývaná stránka. Veľkosť stránky je obyčajne v rozsahu 512b512 B až 8192 bB (v súčasnosti je často používaná veľkosť 4kB), aj keď na špeciálne účely môžu byť použité aj 4MB alebo i väčšie stránky.

Pre rozlíšenie, ktoré stránky sa nachádzajú v pamäti sa používa systém validačného bitu. Keď je nastavený do stavu platná, znamená to, že stránka je uložená v pamäti. V opačnom prípade je stránka buď neplatná (nepatrí do adresného priestoru procesu) alebo nie je v pamäti. Položka v tabuľke stránok pre stránku, ktorá je v pamäti je nastavená ako obyčajne, ale položka stránky, ktorá nie je v pamäti, je označená ako neplatná, alebo obsahuje adresu stránky na [[Pevný disk|disku]].

# Nájde sa voľný [[rámec]].

# Reštartuje sa [[inštrukcia]], ktorá spôsobila výpadok stránky.

# [[Tabuľka stránok]]: obsahuje bit pre označenie platnosti/neplatnosti stránky alebo dodatočné bity ore ochranu prístupu k stránke.

# [[Periférna pamäť]]: uchováva stránky, ktoré nie sú momentálne v operačnej pamäti – swapovacie zariadenie alebo swapovací priestor.

Pri zvýšenom počte procesov, ktoré sú naraz spustené môže nastať situácia, keď niektorý z procesov požaduje zavedenie stránky z odkladacieho priestoru do pamäte, ale v pamäti nie je žiadny volnývoľný rámec. Táto situácia sa zvyčajne rieši metódou nahradzovania stránok. Myšlienkou je, že v prípade, že v pamäti nie je volnývoľný žiadny rámec, nájdeme rámec, ktorý sa momentálne nevyužíva, jeho obsah zapíšeme do odkladacieho priestoru a nahradíme ho načítanou stránkou. Týmto sa však zvyšuje počet prenosov stránok, čo znižuje efektivitu činnosti celého systému. Zlepšenie prináša využitie tzv. bitu modifikácie, ktorý sa nastavuje ak sa na stránku v pamäti zapisuje. V prípade, že nahradzujeme stránku, ktorá nemá nastavený bit modifikácie, nie je potrebné ju zapisovať na disk, čím sa ušetrí jeden diskový prenos. Je však potrebné riešiť problémy výberu algoritmov pre prideľovanie voľných rámcov a nahradzovanie stránok.

Dôležitým problémom je voľba algoritmu, ktorým sa bude vyberať stránka, ktorá sa má nahradiť. Existuje viacero algoritmov, ktoré je možné použiť:
*Algoritmus FIFO,
*Optimálny algoritmus,
*Algoritmus LRU.

Algoritmus FIFO prideľuje každej stránke čas jej príchodu do pamäte ([[Front (informatika)|FIFO fronta]] v pamäti, nie je potrebný presný čas). Pre nahradenie sa vyberá stránka, ktorá je najdlhšie v pamäti. Algoritmus je jednoduchý, no nie veľmi dobrý, pretože rovnako ako môže nahradiť stránku, ktorá sa dlho nepoužíva, môže nahradiť aj často používanú stránku, čo spôsobí čoskoro ďalší výpadok stránky.

Algoritmus LRU je aproximáciou optimálneho algoritmu, kde blízku [[budúcnosť]] nahradzujeme nedávnou minulosťou[[minulosť]]ou. Ku každej stránke je pridelený čas jej posledného použitia. Keď sa nahradzuje stránka, vyberá sa taká, ktorá najdlhšie nebola používaná. Používajú sa dve implementácie tohto algoritmu: počítadlami alebo zásobníkom. <!--(možno doplniť podrobnosti ak bude treba)-->

V prípade spravodlivého rozdeľovania rámcov medzi procesy sa počet pre '''m''' rámcov a '''n''' procesov určuje zaokrúhlením výrazu '''m/n'''. Toto rozdelenie neberie do úvahy veľkosť procesu, čo môže viesť ku plytvaniu pri malých procesoch a nedostatku pri veľkých procesoch.

Pri proporcionálnom prideľovaní každý proces dostáva rámce podľa svojej veľkosti. Ak celkový počet rámcov je '''m''', požiadavky všetkých procesov '''S''', požiadavky procesu '''i''' na pamäť sú si'''s_i''' pridelíme ai'''a_i''' rámcov procesu pi'''p_i''', kde ai'''a_i''' je približne:''' aia_i = (sis_i/S) . m'''.

V prípade chýbajúcej hardware-ovejhardvérovej podpory umožňujúcej efektívny systém stránkovania na žiadosť, používa sa virtualizačná technika segmentácie na žiadosť. Program sa v tomto prípade zavádza do pamäte po segmentoch, ktoré sú predmetom výmeny. Pri odkaze na segment, ktorý nie je v pamäti, sa vygeneruje prerušenie pre výpadok segmentu. Správa pamäte nájde pre požadovaný segment vhodný úsek v pamäti a presunie ho tam. Využíva pritom [[striasanie]]. Segmentácia na žiadosť má silnejšie väzby na štruktúru programu a minimalizuje vnútornú [[fragementácia|fragmentáciu]]. Nevýhodou je nebezpečenstvo vonkajšej fragmentácie.

Virtuálna pamäť v operačných systémoch [[Linux]] je implementovaná prostredníctvom stránkovania. V prípade použitia 32 bitovej architektúry systému je možné adresovať 4GB fyzickej pamäte (232). V prípade, že procesor obsahuje implementáciu správy pamäte (MMU – Memory Management Unit), podporuje koncept virtuálnej pamäte. V tomto prípade sú linuxovým kernelom[[kernel]]om vytvárané tabuľky stránok (page tables), ktoré mapujú virtuálne adresy na fyzické adresy. Znamená to, že každý proces v systéme môže adresovať až 4GB pamäte, pričom z pohľadu procesu, je on sám jediným procesom bežiacim v systéme.

Mapovanie virtuálnych adries na fyzické adresy sa vykonáva prostredníctvom linuxového kernelu. Pri vytvorení nového procesu (pomocou [[fork]]()), kernel vytvára novú sadu tabuliek stránok (page tables) pre vytvorený proces. Referenčné adresy pre proces sú virtuálnymi adresami. Nie sú nutne mapované na zhodné fyzické adresy v pamäti. Virtuálna adresa je odovzdaná správe pamäte (MMU), ktorá ju skonvertuje na fyzickú adresu založenú na tabuľkách vytvorených kernelom. Teda, dva rôzne procesy sa môžu odkazovať na rovnakú adresu (napr. 0x08329), ale v skutočnosti sa odkazujú na dve odlišné adresy v závislosti od tabuliek stránok.

[[Dátové štruktúry|Dátová štruktúra]] '''vm_area''' procesu je pristupovaná opakovane kernelom vždy v prípade, keď dôjde k vyvolaniu výnimky chyby stránky, vytvárajú sa nové stránky vo virtuálnej pamäti alebo sa modifikujú informácie v existujúcich stránkach. Z tohto dôvodu je časť nájdenia správneho záznamu v štruktúre vm_area kritický pre výkonnosť systému. Preto pre urýchlenie prístupu Linux udržiava záznamy vm_area v dátovej štruktúre [[AVL stromustrom]]u, keď ľavý smerník odkazuje na prvok z nižšou začiatočnou štartovacou adresou a pravý smerník na prvok z vyššou štartovacou adresou virtuálnej pamäte. Za urýchlenie prístupu sa v tomto prípade platí zvýšeným obslužným časom pri vložení nového záznamu do štruktúry AVL stromu.

V prípade, že počet voľných rámcov vo fyzickej pamäti dochádza, pamäťový manažment Linuxu musí zabezpečiť uvoľnenie stránok vo fyzickej pamäti. Tieto funkcie sú zabezpečované pomocu démona Kernel Swap Daemon ('''kswapd'''). Kernel Swap Daemon je zodpovedný za efektívne fungovanie pamäťového manažmentu. Démon je spúšťaný počas Init procesu a následne je aktivovaný v periodických intervaloch po uplynutí časovača. V prípade, že démon zistí nedostatok volných rámcov v pamäti, zabezpečí ich uvoľnenie aplikáciou nasledovných postupov:

[[Démon (informatika)|Démon]] taktiež nemôže swapovať ľubovolnú stránku len z ohľadom na intenzitu jej používania. Niektoré stránky majú nastavený tzv. [[dirty bit]], čo zamedzuje ich výberu pre swapovanie. Swapovanie nie je možné stránky, ktoré sú uzamknuté v pamäti, alebo zdielané. Pre zdieľané stránky je používaný oddelený komplexný algoritmus swapovania.