حافظة مجازی

حافظه مجازی‌
در این تمرین شما با صورتها و شکلهای مختلفی از مکانیزم حافظه مجازی در ویندوز NT آشنایی پیدا خواهید کرد علی‌رغم اغلب دیگر سیستمهای عامل، ویندوز NT یک API ساده و روشنی را برای اداره کردن بعضی شکلها و صورتهای حافظه مجازی تهیه می‌کند(معمولاً حافظه مجازی بطور کامل توسط برنامه نویس کاربردی‌اش روشن و واضح می‌گردد) در این تمرین شما در موارد زیر اطلاعاتی یاد خواهید گرفت:  سازماندهی سیستم حافظه مجازی ویندوز NT چگونه فضای حافظه مجازی خود را کنترل کنید؟ چگونه یک وسیله آگاه کننده و گزارش دهنده بنویسید؟ جزئیات GlobalMemory Status , GetsystemInfo – VirtualQuery – VirtualUnlock – VirtualLock – VirtueaFree – VirtualAlloc معرفی
حافظه مجازی صفحه‌بندی یا Paging Virtual Memory در بسیاری از سیستمهای عامل امروزی بکار گرفته می‌شود. در یک سیستم صفحه‌بندی شده، هر فرآیندی یک فضای آدرس دهی مجازی خاص خود دارد که برای ارجاع دیگر اشیاء بکار گرفته می‌شود که معمولاً محتوای یک محل یا موقعیتی از حافظه است بخشی از فضای آدرس دهی مجازی توسط ویراستار خطی ( Link editor ) تعریف می‌شوند وقتی که آن یک تصویر قابل اجرایی بوجود می‌آورد که در واقع فایل اجرایی یا EXE است. تعداد باقیمانده از فضای آدرس‌دهی می‌تواند بطور پویا در زمان اجرا توسط روشهایی که در این تمرین توضیح داده خواهد شد تعر یف شود. بعد از اینکه قسمت پایدار و ثابت از فضای آدرس‌دهی مجازی ایجاد شد در حافظه ثانویه ذخیره خواهد شد ( معمولاً در بخش یا Partition از وسیله ذخیره‌سازی کهPaging disk نام دارد ). به منظور عملی‌تر شدن شما می‌توانید Paging disk را مشابه فایل در نظر بگیرید. در یک کامپیوتر معمول و مرسوم پردازنده تنها می‌تواند دستورات را واکشی کند یا داده‌هایی را که در حافظه اولیه یا قابل اجرا ( که معمولاً RAM خوانده می‌شوند. ) واقع شده‌اند را بارگذاری کند. حافظه اولیه در مقایسه با حافظه ثانویه کوچکتر و سریعتر است. حافظه اولیه خیلی گرانتر از حافظه ثانویه است بنابراین بطور معمول در زمره اجزای با ارزش‌تر از نظر حجم اما کوچکتر از حافظه‌های ثانویه قرار دارند. اغلب کامپیوترها حافظه اولیه کافی حتی برای ذخیره فضای آدرس‌دهی مجازی کامل یک فرآیند را هم ندارند بنابراین در یک زمان تعداد زیادی فضا روی حافظه ثانویه برای ذخیره فضای آدرس‌دهی مجازی تعداد زیادی فرآیند وجود خواهد داشت. حافظه اولیه همچنین خیلی سریعتر از حافظه ثانویه می‌باشد. پردازنده می‌تواند یک بایت را در 2 سیکل پردازنده در حافظه اولیه بخواند یا بنویسید. اما همین عمل هزاران سیکل از پروسسور را برای نوشتن یا خواندن اطلاعات در حافظه ثانویه نیازمند است.برای نگهداری فضای حافظه اولیه یک سیستم حافظه مجازی صفحه‌بندی شده در هر زمان داده شده تنها بخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی تعداد مختلفی از فرآیند‌ها را بارگذاری یا ( Load ) می‌کند. همانطور که Thread ها در فضای آدرس‌دهی فرآیندهایشان اجرا می‌شوندبخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی که در حال حاضر در حال استفاده است در حافظه اولیه بارگذاری می‌شود و در همان حال دیگر بخشهای فضای آدرس‌دهی در حافظه ثانویه قرار گرفته‌اند. زمانی که فرآیندی به بخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی دیگر نیاز ندارد ( حداقل برای مدتی ) از آن بخش در حافظه ثانویه کپی گرفته می‌شود. این به موقعیتی از حافظه اولیه که مورد استفاده برای ذخیره بخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی قرار گرفته بود این اجازه را می‌دهد که برای ذخیره بخش دیگری از فضای آدرس‌دهی مجازی در زمان دیگری بکار گرفته شود. در یک سیستم حافظه مجازی سنجش در کارایی بوسیله کپی کردن یک بلوک از حافظه در حافظه اولیه یا بازگرداندن به حافظه ثانویه در زمانی که یک جابه‌جایی بین دوسطح از سلسله مرتبه حافظ مورد نیاز و ضروری باشد بدست می‌آید کارایی از این واقعیت بدست می‌آید که عملیات ورودی و خروجی حافظه ثانویه وابسته به بلوکها می‌باشد. این یعنی اگر تنها یک کلمه ( Word ) اطلاعات از حافظه ثانویه مورد نیاز باشد همه بلوک باید خوانده شود تابه آن کلمه برسیم. همچنین نسبت به مکانی که همه آن بلوک در حافظه اولیه قرار داد هم احساس است تا زمانی که باید خوانده شود تابه لغت گم شده برسیم. فواید دیگری در بارگذاری همه بلوک‌ها نسبت به فقط یک کلمه وجود دارد. هنگامی که یک نخ یا Thread به مکانی چون I رجوع می‌کند احتمال زیادی وجود دارد که بخواهد به مکان I+1 در آینده نزدیک رجوع کند به این مفهوم محلیت یا Locality گفته می‌شود. یک حافظه مجازی صفحه‌بندی شده بلوکهای با اندازة ثابت را بارگذاری می‌کند و یا برمی‌دارد که به آنها صفحه یا Page گفته می‌شود که در زمانی که داده‌ها و اطلاعات را بین حافظه اولیه و ثانویه در جهت رفت و برگشت حرکت می‌دهد انجام می‌گیرد. حد و مرز صفحه‌ها یا Page ها کاملاً توسط برنامه‌نویس مشخص و واضح می‌شود. شکل 1 عملیات یک سیستم حافظه مجازی صفحه‌بندی شده بطور عام را خلاصه می‌کند.زمانی که یک نخ یا Thread به آدرس مجازی K رجوع می‌کند ( مرحله 1 در شکل ) حافظه مجازی ابتدا تعدا صفحات یا Page هایی که آدرس مجازی K را در بردارد تعیین می‌کند (مرحله2 در شکل ) اگر صفحه در حال حاضر در حافظه اولیه بارگذاری شده بود و موجود بود ( مرحله 3 در شکل ) سیستم حافظه مجازی آدرس مجازی را به آدرس فیزیکی متناظر با آن موقعیت در حافظه اولیه که همان Page Frame است تبدیل می‌کند ( جایی که صفحه هدف در آن واقع شده است. ) اگر صفحه در همان زمان که به آن رجوع شده بارگذاری نشده بود اجرای ‏Thread عادی دچار وقفه می‌شود تا زمانی که مدیریت حافظه صفحه مقصد را در Page Frame بارگذاری کند به محضی که آن صفحه بارگذاری شد اجرا ادامه پیدا خواهد کرد در مرحله 4 رجوع به آدرس مجازی K دوباره با آدرس فیزیکی در حافظه اولیه تعیین می‌گردد ( مکانی که موقعیت مجازی K در حال حاضر آنجا بارگذاری شده است. )

حافظه مجازی‌در این تمرین شما با صورتها و شکلهای مختلفی از مکانیزم حافظه مجازی در ویندوز NT آشنایی پیدا خواهید کرد علی‌رغم اغلب دیگر سیستمهای عامل، ویندوز NT یک API ساده و روشنی را برای اداره کردن بعضی شکلها و صورتهای حافظه مجازی تهیه می‌کند(معمولاً حافظه مجازی بطور کامل توسط برنامه نویس کاربردی‌اش روشن و واضح می‌گردد) در این تمرین شما در موارد زیر اطلاعاتی یاد خواهید گرفت:  سازماندهی سیستم حافظه مجازی ویندوز NT چگونه فضای حافظه مجازی خود را کنترل کنید؟ چگونه یک وسیله آگاه کننده و گزارش دهنده بنویسید؟ جزئیات GlobalMemory Status , GetsystemInfo – VirtualQuery – VirtualUnlock – VirtualLock – VirtueaFree – VirtualAlloc معرفی حافظه مجازی صفحه‌بندی یا Paging Virtual Memory در بسیاری از سیستمهای عامل امروزی بکار گرفته می‌شود. در یک سیستم صفحه‌بندی شده، هر فرآیندی یک فضای آدرس دهی مجازی خاص خود دارد که برای ارجاع دیگر اشیاء بکار گرفته می‌شود که معمولاً محتوای یک محل یا موقعیتی از حافظه است بخشی از فضای آدرس دهی مجازی توسط ویراستار خطی ( Link editor ) تعریف می‌شوند وقتی که آن یک تصویر قابل اجرایی بوجود می‌آورد که در واقع فایل اجرایی یا EXE است. تعداد باقیمانده از فضای آدرس‌دهی می‌تواند بطور پویا در زمان اجرا توسط روشهایی که در این تمرین توضیح داده خواهد شد تعر یف شود. بعد از اینکه قسمت پایدار و ثابت از فضای آدرس‌دهی مجازی ایجاد شد در حافظه ثانویه ذخیره خواهد شد ( معمولاً در بخش یا Partition از وسیله ذخیره‌سازی کهPaging disk نام دارد ). به منظور عملی‌تر شدن شما می‌توانید Paging disk را مشابه فایل در نظر بگیرید. در یک کامپیوتر معمول و مرسوم پردازنده تنها می‌تواند دستورات را واکشی کند یا داده‌هایی را که در حافظه اولیه یا قابل اجرا ( که معمولاً RAM خوانده می‌شوند. ) واقع شده‌اند را بارگذاری کند. حافظه اولیه در مقایسه با حافظه ثانویه کوچکتر و سریعتر است. حافظه اولیه خیلی گرانتر از حافظه ثانویه است بنابراین بطور معمول در زمره اجزای با ارزش‌تر از نظر حجم اما کوچکتر از حافظه‌های ثانویه قرار دارند. اغلب کامپیوترها حافظه اولیه کافی حتی برای ذخیره فضای آدرس‌دهی مجازی کامل یک فرآیند را هم ندارند بنابراین در یک زمان تعداد زیادی فضا روی حافظه ثانویه برای ذخیره فضای آدرس‌دهی مجازی تعداد زیادی فرآیند وجود خواهد داشت. حافظه اولیه همچنین خیلی سریعتر از حافظه ثانویه می‌باشد. پردازنده می‌تواند یک بایت را در 2 سیکل پردازنده در حافظه اولیه بخواند یا بنویسید. اما همین عمل هزاران سیکل از پروسسور را برای نوشتن یا خواندن اطلاعات در حافظه ثانویه نیازمند است.برای نگهداری فضای حافظه اولیه یک سیستم حافظه مجازی صفحه‌بندی شده در هر زمان داده شده تنها بخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی تعداد مختلفی از فرآیند‌ها را بارگذاری یا ( Load ) می‌کند. همانطور که Thread ها در فضای آدرس‌دهی فرآیندهایشان اجرا می‌شوندبخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی که در حال حاضر در حال استفاده است در حافظه اولیه بارگذاری می‌شود و در همان حال دیگر بخشهای فضای آدرس‌دهی در حافظه ثانویه قرار گرفته‌اند. زمانی که فرآیندی به بخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی دیگر نیاز ندارد ( حداقل برای مدتی ) از آن بخش در حافظه ثانویه کپی گرفته می‌شود. این به موقعیتی از حافظه اولیه که مورد استفاده برای ذخیره بخشی از فضای آدرس‌دهی مجازی قرار گرفته بود این اجازه را می‌دهد که برای ذخیره بخش دیگری از فضای آدرس‌دهی مجازی در زمان دیگری بکار گرفته شود. در یک سیستم حافظه مجازی سنجش در کارایی بوسیله کپی کردن یک بلوک از حافظه در حافظه اولیه یا بازگرداندن به حافظه ثانویه در زمانی که یک جابه‌جایی بین دوسطح از سلسله مرتبه حافظ مورد نیاز و ضروری باشد بدست می‌آید کارایی از این واقعیت بدست می‌آید که عملیات ورودی و خروجی حافظه ثانویه وابسته به بلوکها می‌باشد. این یعنی اگر تنها یک کلمه ( Word ) اطلاعات از حافظه ثانویه مورد نیاز باشد همه بلوک باید خوانده شود تابه آن کلمه برسیم. همچنین نسبت به مکانی که همه آن بلوک در حافظه اولیه قرار داد هم احساس است تا زمانی که باید خوانده شود تابه لغت گم شده برسیم. فواید دیگری در بارگذاری همه بلوک‌ها نسبت به فقط یک کلمه وجود دارد. هنگامی که یک نخ یا Thread به مکانی چون I رجوع می‌کند احتمال زیادی وجود دارد که بخواهد به مکان I+1 در آینده نزدیک رجوع کند به این مفهوم محلیت یا Locality گفته می‌شود. یک حافظه مجازی صفحه‌بندی شده بلوکهای با اندازة ثابت را بارگذاری می‌کند و یا برمی‌دارد که به آنها صفحه یا Page گفته می‌شود که در زمانی که داده‌ها و اطلاعات را بین حافظه اولیه و ثانویه در جهت رفت و برگشت حرکت می‌دهد انجام می‌گیرد. حد و مرز صفحه‌ها یا Page ها کاملاً توسط برنامه‌نویس مشخص و واضح می‌شود. شکل 1 عملیات یک سیستم حافظه مجازی صفحه‌بندی شده بطور عام را خلاصه می‌کند.زمانی که یک نخ یا Thread به آدرس مجازی K رجوع می‌کند ( مرحله 1 در شکل ) حافظه مجازی ابتدا تعدا صفحات یا Page هایی که آدرس مجازی K را در بردارد تعیین می‌کند (مرحله2 در شکل ) اگر صفحه در حال حاضر در حافظه اولیه بارگذاری شده بود و موجود بود ( مرحله 3 در شکل ) سیستم حافظه مجازی آدرس مجازی را به آدرس فیزیکی متناظر با آن موقعیت در حافظه اولیه که همان Page Frame است تبدیل می‌کند ( جایی که صفحه هدف در آن واقع شده است. ) اگر صفحه در همان زمان که به آن رجوع شده بارگذاری نشده بود اجرای ‏Thread عادی دچار وقفه می‌شود تا زمانی که مدیریت حافظه صفحه مقصد را در Page Frame بارگذاری کند به محضی که آن صفحه بارگذاری شد اجرا ادامه پیدا خواهد کرد در مرحله 4 رجوع به آدرس مجازی K دوباره با آدرس فیزیکی در حافظه اولیه تعیین می‌گردد ( مکانی که موقعیت مجازی K در حال حاضر آنجا بارگذاری شده است. )