[МУЗЫКА]

[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]

Теперь мы поговорим о таком интересном понятии, как виртуальная память.

Virtualis — по-латыни означает объект, который не существует,

но может возникнуть.

И вообще, virtual — это что-то выдуманное.

Так вот, представьте себе, что у вас есть память, ну скажем, 1 мегабайт.

Я буду говорить в примерах, которые мне привычны, в старые времена.

А вам хочется программировать, естественно, в большей памяти, скажем,

в 100 мегабайт.

Так вот, можно придумать систему, которая будет в каком-то смысле вас обманывать,

создавать у вас иллюзию, что у вас есть 100 мегабайт.

И вот это и называется виртуальная память.

Давайте разберемся, как это делается.

Память делится на страницы фиксированного размера.

Принято 2 или 4 килобайта.

И дальше вы работаете только с математическими адресами.

Математический адрес — это пара.

Номер страницы и смещение на три страницы.

Никаких прямых физических адресов нет.

Каждый раз, когда вам нужно обратиться к объекту,

вы пользуетесь математическим адресом и начинаете с того, что по

номеру страницы операционная система лезет в так называемую таблицу страниц.

Есть такой объект в операционной системе — таблица страниц.

В этой таблице по номеру страницы можно определить,

находится ли страница в оперативной памяти,

и если находится, то прямо в таблице адрес ее начала.

Или если она не находится, то где ее найти на диске?

То есть вся идея в том, что у вас есть, если вы помните,

1 мегабайт оперативной памяти, сколько-то страниц у вас там помещается,

а все остальные страницы хранятся на диске.

И вот вы по номеру страницы полезли в таблицу страниц,

определили, что нужная страница находится в памяти,

получили ее адрес начала и прибавляете к нему смещение.

Тем самым вы получаете настоящий физический адрес,

по которому вы начинаете писать.

Ежели страницы в памяти нет, то возникает прерывание операционной системы,

и она своими способами там на диске ищет нужный адрес,

считает нужную страницу в память, и дальше все, как раньше мы говорили.

Адрес в начало, плюс смещение — вот ваш физический адрес.

Заметьте, что это процесс такой сложный, и если у

вас страницы не оказалось в памяти, и вам надо подкачать ее с диска, то, возможно,

вам какие-то страницы придется выгнать из оперативной памяти на диск, выгрузить.

Так что ни о какой скорости там даже говорить вообще не приходится.

То есть давайте повторим главный принцип виртуальной памяти: виртуальная

память запрещает использование прямых физических адресов, только математические.

Заметьте, они относительные такие — номер страницы и смещение в эту страницу.

Итак, математический адрес — это пара: номер страницы и смещение,

а физический адрес — это адрес нормальной оперативной памяти.

Так вот, перед каждым использованием математического адреса,

его надо преобразовать в физический адрес.

Если страницы нет в оперативной памяти,

то говорить о скорости тут вообще не приходится.

То есть это будет тысячи больших, тысячи команд.

Если находится, то прибавляется смещение.

Причем это тоже некоторое замедление, и нельзя сказать, что это хорошо.

Но я же вам в самом начале сказал, что вас обманывают, вам говорят,

что у вас есть 100 мегабайтов, хотя реально есть только один мегабайт.

Но зато программировать удобнее.

Просто программировать в большой памяти, и все программисты это понимают,

намного легче, чем программировать в маленькой, ограниченной памяти.

Поэтому за такой обман приходится платить.

И люди обычно на это идут.

То есть в наше время стоимость труда программиста много дороже,

чем стоимость машины.

Слушайте, вот тут, поскольку я старый программист, не могу не сказать,

что когда-то машины стоили миллионы (в советское время — миллионы рублей),

а зарплата программиста была 100–200 рублей.

И тогда надо было экономить машинное время, и, в общем,

некоторые усилия предпринимались, чтобы как-то сэкономить использование машины.

А с течением времени, сегодня вот компьютер можно купить тысяч за 30–40,

а зарплата программиста, как минимум, в два раза больше.

То есть сегодня все происходит наоборот — компьютеры дешевые (все относительно,

но, тем не менее, я настаиваю на этом), а рабочая сила программистов — дорогая.

Поэтому надо экономить усилия программистов.

И в этом смысле виртуальная память — отличный пример,

что вы экономите усилия программистов,

расплачиваясь за это некоторым понижением эффективности использования компьютера.

Черт с ним, зато программисты работают в более комфортных условиях,

и это для нас важно.

Тем не менее, можно бороться с виртуальной памятью, и ее тоже ускорять.

Во-первых, оказалось, что есть такое понятие — рабочее множество страниц.

То есть в любой программе всегда есть какой-то процент, 5–10 страниц,

в которых происходит 90–95 % обращений.

То есть далеко не все страницы программы и их данные используются равномерно.

Так вот, такое множество страниц, которое в основном работает,

называется рабочим множеством страниц.

И современная операционная система умеет их выделять и сохранять в

основную оперативную память.

Поэтому чаще всего, когда вы работаете с виртуальной памятью,

в 90 % случаев страница в памяти находится.

Хотя, конечно, преобразование, обратиться к таблице страниц, прибавить смещение,

все равно занимает какое-то время.

Но уже это исчезающе мало, по сравнению с поиском страницы на диске.

Чтобы сэкономить время в работе с этой таблицей страниц,

придумали специальный механизм TLB (Translation lookaside buffer).

Это тоже кэш-память, о которой мы уже говорили, только очень специализированная.

В этой кэш-памяти, в этой TLB, оседают адреса начала страниц,

которые чаще всего используются.

И поскольку TLB хранится в быстрой кэш-памяти,

то преобразование происходит быстрее.

Таким образом, происходит экономия на времени чтения адреса начала страницы.

Теперь поговорим об обработке ошибок.

При работе с памятью регулярно возникают ошибки.

Вы знаете, я не большой специалист в физике, но инженеры говорят,

что прилетит какая-то альфа-частица и может исказить какой-то вид в памяти.

Я не ручаюсь, что так это или не так, но меня так учили.

Ну и теперь я так учу.

Во всяком случае, даже сегодня (хотя сегодня электроника стала намного более

надежной, чем, скажем, 20 лет назад), тем не менее, память бывает сбоит.

Как с этим бороться?

Опять-таки инженеры знают, что надежность — это избыточность.

Есть такая знаменитая теорема, по-моему, теорема Котельникова, что можно

сделать сколько угодно надежное устройство из скольки угодно ненадежных элементов.

Вот вслушайтесь: элементы сколько угодно ненадежны,

но можно даже из них сделать сколь угодно надежные устройства.

То есть понятно за счет чего?

За счет избыточности.

Все блоки повторять, дублировать, троировать, учетверять и так далее,

делать специальные схемы сравнения — и можно добиться надежности.

Но с точки зрения работы с памятью, все относительно проще, а именно,

проще всего к каждому байту добавить девятый бит — бит четности называется.

То есть складываете все разряды этого байта и контрольный бит тоже,

как договоримся.

Если получается 0 — то значит, все в порядке.

А если 1, то значит, какой-то бит исказился.

То есть в правильно записанном байте сумма всех битов должна быть равна нулю.

Поскольку бит четности определяет ошибку,

но не позволяет исправить ошибку, были придуманы более сложные коды.

Самый популярный из них — это код Хэмминга.

Я не хочу влезать в технические детали, но можно на 16 разрядов

добавить 5 контрольных разрядов, в которых будут храниться контрольные

суммы побитовые по 1-й, по 2-й, по 4-й, по 8-й позициям.

И вот наличие вот этих пяти дополнительных битов позволяет а) обнаружить ошибку,

если какая-то позиция испортилась; б) исправить ее.

На самом деле, существуют и более сложные коды.

Это вообще тема отдельного курса — теория кодирования.

И надо сказать, что эта теория кодирования на Западе

приписывается Клоду Шеннону, а у нас Котельникову и его школе.

Был такой академик Котельников.

Есть такая теорема кодирования Шеннона,

которая на Западе все вот именно так производит, так вот я утверждаю,

что ровно эта теорема была опубликована еще в конце 30-х годов в докладах Академии

наук, которые переводились на английский, на французский, на немецкий языки.

Ну так часто бывало и раньше, к сожалению, это бывает и сейчас.

Тем не менее, мне важно сказать вот что: есть специальные системы кодирования,

которые позволяют не только находить ошибки, но и исправлять их.

Но еще раз повторю, что это тема отдельного курса.

Виртуальная память

Архитектура ЭВМ (Computer Architecture)

Meet the Instructors