Простой и знакомый большинству из нас пример подобного механизма — использование текстового процессора на ПК. Сначала пользователь открывает файл, содержащий нужный документ, а затем наблюдает мигание индикатора жесткого диска, пока документ считывается в память. На самом деле, документ сначала переносится в виртуальную память, а затем частично — в реальную память. Когда-то раньше, при конфигурировании ОС нашего ПК, мы определяли размер места на жестком диске, зарезервированный для виртуальной памяти. В мире ПК это пространство иногда называется файлом подкачки. Прокручивая текст на экране, пользователь снова видит, как мигает индикатор жесткого диска. По мере необходимости, новые фрагменты документа считываются в память из зарезервированного пространства на диске.

Операция открытия файла создает копию документа. Оригинал же по-прежнему находится на жестком диске в неизменном виде. Копия располагается в дисковом пространстве, зарезервированном под виртуальную память. Менеджер виртуальной памяти и ОС автоматически переносят фрагменты документа по мере необходимости из зарезервированной дисковой области в память, а когда надобность в них отпадает — возвращают обратно. Фактически, если учесть копию в памяти, некоторые фрагменты документа существуют в трех копиях.

Когда пользователь заканчивает редактирование и сохраняет документ, текстовый процессор запрашивает, сохранить ли изменения. Другими словами, нужно ли записать обновленную в виртуальной памяти копию обратно в файл на диске для постоянного хранения. Если ответ утвердительный, то копия из виртуальной памяти замещает копию на диске.

Одноуровневая виртуальная память

В только что описанной реализации виртуальной памяти программист имеет дело с двумя уровнями хранилища: файловая система и виртуальная память разделены. Двухуровневая система хранения вызывает дополнительные накладные расходы. Открытие файла связано с записью на диск в файлы подкачки, а закрытие — требует записи обратно на место постоянного хранения.

Сам собой напрашивается альтернативный вариант — работать только с одной копией файла. Ведь если нет двух отдельных копий, то не нужно резервировать пространство на диске для файла подкачки. При таком подходе вся файловая система становится частью виртуальной памяти. Менеджер файлов по-прежнему ведет справочник, но теперь он связывает имя файла с местом в памяти, где находятся данные файла. При открытии и закрытии файла не требуется копировать весь файл из его постоянной области хранения на диске. В буфер памяти копируется только та порция (или запись) с которой пользователь в данный момент работает. Часто говорят и так: файлы всегда используются там же, где хранятся. Все это позволяет повысить общую производительность системы.

Одноуровневая память — это именно то, что ставили своей целью создатели первой виртуальной памяти, и именно эта модель была реализована в System/38. В честь первооткрывателей мы решили назвать нашу виртуальную память одноуровневой памятью.

И двухуровневая виртуальная память, и одноуровневая используются как буфер. Процессоры могут работать только с данными в памяти, но не на диске. Отличие одноуровневой схемы в том, что память в ней — кэш для всего дискового пространства, а не только для зарезервированной области диска. Кроме того, после изменения файла одним пользователем, это изменение немедленно становится видимым всем остальным, работающим с тем же файлом.

Недостаток одноуровневой памяти — большой размер адреса. Адрес должен быть достаточно велик, чтобы покрывать все подключенное к системе дисковое пространство. Возьмем 32-разрядный адрес, используемый во многих современных системах. С его помощью можно адресовать до 4 ГБ, что совершенно недостаточно для адресации всего дискового пространства даже на большом ПК. Таким образом, обычные системы просто вынуждены копировать дисковые данные в свои относительно небольшие виртуальные памяти и обратно.

Чтобы устранить это ограничение, в System/38 и первые модели AS/400 был включен 48-разрядный адрес. Теперь AS/400 использует 64-разрядный адрес и для будущих расширений предусмотрены дополнительные разряды адреса. Хоть все это и связано с аппаратными затратами, последние вполне компенсируются возможностями по совместному использованию данных и ростом производительности.

Постоянная виртуальная память