Virtuální paměť

Princip virtuální paměti byl rozpracován na přelomu 50. a 60. let 20. století. Z pozorování využití paměti RAM vyplynulo, že program nepracuje s celou pamětí najednou, ale využívá její omezené části, které se spolu s během programu postupně mění. Koncem 60. let se začala podpora virtuální paměti stávat standardem operačních systémů určených pro sálové počítače.

Operační paměť RAM je rozšířena o místo na pevném disku, které je sice výrazně pomalejší, ale také výrazně lacinější. Vyšší režie i nároky na systémové a hardwarové zdroje (zvláště na diskový subsystém) jsou zanedbatelné v porovnání s výhodami, které použití virtuální paměti přináší. Systém virtuální paměti umožňuje efektivně využít menší operační paměť za cenu akceptovatelné ztráty výkonu a přináší výhody dokonce i v případě, že k odložení paměti na disk nedojde (např. mmap).

Virtuální paměť je efektivní, neboť mnohdy není třeba do operační paměti zavádět celé kódy programů. To je především z těchto důvodů:

• Programy mají tendenci zůstávat po jistou dobu v rámci několika procedur.
• Datové struktury jsou často lineární, další záznam je „sousedem“ právě zpracovávaného.
• Mimo volání procedur a skoků je program vykonáván sekvenčně.

Virtuální paměť tak postupně nahradila techniku překryvného modulu.

• Paměť, kterou má běžící proces k dispozici, není omezena fyzickou velikostí instalované paměti.
• Je omezeno plýtvání pamětí, kterou proces ve skutečnosti nevyužije nebo ji začne využívat až později.
• Každý běžící proces má k dispozici svou vlastní paměťovou oblast, ke které má přístup pouze on sám a nikdo jiný.
• Paměť jednotlivým procesům lze tak organizovat, že se paměť z hlediska procesu jeví jako lineární, přestože ve skutečnosti může být umístěna na různých místech vnitřní paměti i odkládacího prostoru.

Při nedostatečné kapacitě fyzické operační paměti může dojít ke ztrátě výpočetního výkonu (thrashing). Pokud proces nemá v paměti dost stránek, často generuje přerušení výpadek stránky. To zaměstnává procesor a zpomaluje běh dalších procesů, ale hlavně tohoto procesu, neboť je v době načítání stránky pozastaven a nevykonává žádnou činnost. Dále jsou do paměti zaváděny další procesy, neboť procesor často čeká na ukončení vstupně-výstupní operace (právě zavádění a případné odkládání stránek). To vede k dalšímu zhoršení výkonu. (Je ovšem nutné zmínit, že bez virtuální paměti by v takovém případě výpočet vůbec nemohl proběhnout.)

Všechny adresy, které proces používá, jsou spravovány pouze jako virtuální – transformaci na fyzické adresy provádí správa virtuální paměti.

Každý proces po spuštění obdrží od operačního systému oblast pro uložení programu a pro data. Pokud potřebuje více operační paměti, může operační systém požádat o přidělení další paměti. Pokud se jí nedostává, operační systém odsune části obsahu operační paměti na disk a provede příslušné úpravy ve stránkovacích registrech procesu.

Procesům je buď přidělen pevný počet rámců (ne nutně stejná hodnota pro všechny procesy, přidělený počet rámců muže být úměrný velikosti programu), nebo je použito tzv. prioritní přidělování, kdy procesům s větší prioritou je dáno více rámců.

Existují dvě základní metody implementace virtuální paměti – stránkování a segmentace paměti.

• Při stránkování je paměť rozdělena na větší úseky stejné velikosti, které se nazývají stránky. Správa virtuální paměti rozhoduje samostatně o tom, která paměťová stránka bude zavedena do vnitřní paměti a která bude odložena do odkládacího prostoru (swapu).
• Při segmentaci je paměť rozdělena na úseky různé velikosti nazývané segmenty.

Používají se dvě základní politiky:

• Stránkování (resp. segmentace) na žádost, kdy se stránka zavádí pouze jako důsledek přerušení typu výpadek stránky.
• Předstránkování, kdy se počítá, že proces bude brzy pravděpodobně odkazovat na sousední stránku na sekundární paměti (používá např. Windows XP).

Odkládání lze provádět:

• do souboru proměnné délky (nejpomalejší varianta),
• do souboru pevné délky (o něco rychlejší, neboť nedochází k fragmentaci v souborovém systému, ale dochází k plýtvání místem; na druhé straně může dojít k nedostatku virtuální paměti),
• přímo do vyhrazeného oddílu na pevném disku (nejvýkonnější varianta, diskový oddíl neobsahuje souborový systém, stránkovací registry obsahují přímé adresy na disku),
• kombinovaně (vyhrazený oddíl na pevném disku lze v případě potřeby doplnit swapovacím souborem pevné, resp. proměnné délky).

Odkaz na stránku (či segment) mimo operační paměť způsobí přerušení výpadkem stránky a následuje přibližně toto:

• OS pozastaví proces, kterému chybí stránka.
• OS spustí modul pro zavedení chybějící stránky do operační paměti a v případě nutnosti (je-li operační paměť plná) odstraní z fyzické paměti stránku podle jedné z uvedených strategií.
• Během přenosu požadované stránky je proces, kterému chybí stránka nadále pozastaven a běží jiné procesy.
• Po zavedení stránky je původní proces označen jako připravený a čeká na přidělení procesoru.

Některé stránky, např. vstupně-výstupní vyrovnávací paměť nebo vyhrazené stránky OS, nelze odložit na disk.

Volba malé velikosti stránky vede ke zmenšení vnitřní fragmentace (méně plýtvání místem uvnitř alokovaných oblastí) a zmenšení počtu výpadků stránek. Nevýhodou je ale veliká tabulka stránek (zabírá více operační paměti) a náročnější prohledávání tabulky stránek (při odstraňování stránky). U velkých stránek nastávají opačné problémy.

Požadujeme minimální frekvenci výpadku stránek. Stránka, která je vybrána k odstranění z paměti je nazývána také jako oběť.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Virtuální paměť na Wikimedia Commons