При разбиении больших программ на малые фрагменты управление памятью требовало от программиста больших усилий. Если фрагмент программы, который должен был исполняться, находился вне памяти, то программист вставлял команды считывания этого фрагмента в память с диска или барабана. Фрагменты программы назывались оверлеями (overlays), и значительная часть программирования заключалась в создании и управлении ими. Виртуальная память смогла устранить эту проблему. Память увеличилась, и программисты могли больше не беспокоиться о том, поместится ли в нее программа. Управление перемещением данных и программ в большой виртуальной памяти взяла на себя ОС.

В 1962 году Т. Д. Килбурн (T.D. Kilburn) с соавторами написал свою статью, посвященную системе памяти компьютера Atlas. В статье были такие слова: «. Система представляет программисту комбинацию память-барабан в виде одноуровневой памяти. Необходимое перемещение данных выполняется автоматически»[ 62 ].

Виртуальная память для систем разделения времени

В связи с появлением в конце 60-х годов систем разделения времени — раннего этапа эволюции мультипрограммных ОС — многие производители компьютеров приняли виртуальную память на вооружение. При мультипрограммировании системная память разделена на несколько порций, в каждой из которых находится некоторая программа. Пока одна из программ ожидает завершения операции ввода-вывода, другая может использовать процессор. Если в памяти находится достаточное количество программ, то можно обеспечить постоянную загруженность процессора. Мультипрограммные ОС занимались тогда преимущественно пакетной обработкой.

Разделение времени — это разновидность мультипрограммирования, когда у каждого пользователя есть подключенный к компьютеру терминал. Так как при этом пользователи интерактивны (то есть программа управляется командами пользователя за терминалом), то на «раздумья» пользователей уходит какое-то время. Соответственно снижается загрузка процессора. Компьютер такого типа поддерживает больше пользователей, так что в памяти одновременно находится довольно много фрагментов программ. Интерактивным пользователям требуется быстрое время отклика, так что эффективное управление множеством фрагментов программ критически важно. Именно его и должна была обеспечить виртуальная память.

В основе систем разделения времени лежала возможность аренды времени центрального компьютера отдельными пользователями из разных организаций. Такой подход был популярен, так как большинство малых фирм не могли позволить себе собственный компьютер. Разделение времени предоставляло им ресурсы большого компьютера за часть цены. Так как пользователи компьютера представляли разные организации, совместное использование информации ими не требовалось.

Поддерживая разделение времени, системы виртуальной памяти предоставляли каждому пользователю отдельное адресное пространство. Адресные пространства разных пользователей были изолированы друг от друга, что в определенной степени обеспечивало защиту. При переключении ресурсов компьютера на выполнение программы другого пользователя использовалось новое адресное пространство. Такая операция называлась переключением процессов, где процесс рассматривался как единица работы в системе, выполняемая для пользователя.

В прошлом переключение процессов было связано с большими накладными расходами. Нужно было изменить таблицы памяти, очистить регистры и загрузить новые данные. Выполнение всех этих действий требовало большого числа команд процессора, и явно чрезмерных затрат времени. Тогда, в конце 60-х, многие искали способы упростить эту операцию и повысить ее эффективность[ 63 ].

К сожалению, разработчики систем разделения времени решили вынести файловую систему за пределы виртуальной памяти. Они создали два места хранения данных и программ: виртуальную память и файловую систему. В подобной архитектуре данные и программы могут использоваться или изменяться, только если находятся в виртуальной памяти. То есть, прежде чем что-либо сделать, данные и программы нужно переместить в виртуальную память.

Менеджер файлов обычной системы поддерживает каталог, связывающий имена файлов с местоположением на диске данных, которые в них содержатся. Менеджер файлов предоставляет некий интерфейс, позволяющий программе открыть файл. Затем данные копируются в буферы памяти, обычно являющиеся частью виртуальной памяти. После этого данные могут использоваться и обрабатываться. Когда программа завершает работу с данными, выполняется операция закрытия, переносящая данные из виртуальной памяти обратно в файловую систему.