Memoria virtual

En informática , la memoria virtual o el almacenamiento virtual [ ^{b ]} se habilita mediante una técnica de gestión de memoria que proporciona una "abstracción idealizada de los recursos de almacenamiento que están realmente disponibles en una máquina determinada" ^{[ 3 ] ,} lo que "crea la ilusión para los usuarios de una memoria (principal) muy grande". ^{[ 4 ]}

El sistema operativo del ordenador , mediante una combinación de hardware y software, asigna direcciones de memoria utilizadas por un programa, denominadas direcciones virtuales , a direcciones físicas en la memoria del ordenador . El almacenamiento principal , visto por un proceso o tarea, aparece como un espacio de direcciones contiguo o una colección de segmentos contiguos . El sistema operativo gestiona los espacios de direcciones virtuales y la asignación de memoria real a memoria virtual. ^{[ 5 ]} El hardware de traducción de direcciones en la CPU, a menudo denominado unidad de gestión de memoria (MMU), traduce automáticamente las direcciones virtuales a direcciones físicas. El software dentro del sistema operativo puede ampliar estas capacidades, utilizando, por ejemplo, almacenamiento en disco , para proporcionar un espacio de direcciones virtuales que puede exceder la capacidad de la memoria real y, por lo tanto, hacer referencia a más memoria de la que está físicamente presente en el ordenador.

Entre las principales ventajas de la memoria virtual se incluyen la liberación de las aplicaciones de la necesidad de gestionar un espacio de memoria compartida, la capacidad de compartir la memoria utilizada por las bibliotecas entre procesos, una mayor seguridad gracias al aislamiento de la memoria y la posibilidad de utilizar conceptualmente más memoria de la que podría estar físicamente disponible, mediante la técnica de paginación o segmentación.

La memoria virtual facilita la programación de aplicaciones al ocultar la fragmentación de la memoria física; al delegar al núcleo la responsabilidad de gestionar la jerarquía de memoria (eliminando la necesidad de que el programa gestione explícitamente las superposiciones ); y, cuando cada proceso se ejecuta en su propio espacio de direcciones dedicado, al obviar la necesidad de reubicar el código del programa o de acceder a la memoria con direccionamiento relativo .

La virtualización de la memoria puede considerarse una generalización del concepto de memoria virtual.

La memoria virtual es una parte integral de la arquitectura de una computadora moderna ; las implementaciones generalmente requieren soporte de hardware, normalmente en forma de una unidad de administración de memoria integrada en la CPU . Si bien no es necesario, los emuladores y las máquinas virtuales pueden utilizar soporte de hardware para aumentar el rendimiento de sus implementaciones de memoria virtual. ^{[ 6 ]}

La mayoría de los sistemas operativos modernos que admiten memoria virtual también ejecutan cada proceso en su propio espacio de direcciones dedicado . De este modo, cada programa parece tener acceso exclusivo a la memoria virtual. Algunos sistemas operativos más antiguos (como OS/VS1 y OS/VS2 SVS ) e incluso algunos más recientes (como IBM i ) son sistemas operativos de espacio de direcciones único que ejecutan todos los procesos en un único espacio de direcciones compuesto por memoria virtualizada.

Los sistemas embebidos y otros sistemas informáticos de propósito especial que requieren tiempos de respuesta muy rápidos y/o muy consistentes pueden optar por no usar memoria virtual debido a la menor determinismo ; los sistemas de memoria virtual activan interrupciones impredecibles que pueden producir retrasos no deseados e impredecibles en la respuesta a la entrada, especialmente si la interrupción requiere que los datos se lean en la memoria principal desde la memoria secundaria. El hardware para traducir direcciones virtuales a direcciones físicas generalmente requiere un área de chip significativa para su implementación, y no todos los chips utilizados en sistemas embebidos incluyen dicho hardware, lo que es otra razón por la que algunos de esos sistemas no usan memoria virtual.

Durante las décadas de 1950, 1960 y principios de 1970, la memoria de las computadoras era muy cara. Los programas de mayor tamaño, para los que la memoria disponible no era suficiente para almacenar todo el código y los datos, debían incluir lógica para gestionar el almacenamiento primario y secundario, como la superposición de memoria . Por lo tanto, se introdujo la memoria virtual no solo para extender la memoria primaria, sino también para facilitar al máximo el uso de dicha extensión por parte de los programadores. ^{[ 7 ]}

El primer sistema de memoria virtual verdadero fue el implementado en la Universidad de Manchester para crear un sistema de almacenamiento de un solo nivel ^{[ 8 ]} como parte de la computadora Atlas . Utilizaba un mecanismo de paginación para mapear las direcciones virtuales disponibles para el programador en la memoria real que consistía en 16.384 palabras de memoria de núcleo primario con 98.304 palabras adicionales de memoria de tambor secundaria . ^{[ 9 ]} La adición de memoria virtual al Atlas también eliminó un problema de programación inminente: la planificación y programación de transferencias de datos entre la memoria principal y secundaria y la recompilación de programas para cada cambio de tamaño de la memoria principal. ^{[ 10 ]} El primer Atlas se puso en marcha en 1962, pero los prototipos funcionales de paginación se habían desarrollado para 1959. ^{[ 7 ] : 2 [ 11 ] [ 12 ]}

Para permitir la multiprogramación y la multitarea , algunos sistemas de la década de 1960 dividían la memoria entre varios programas sin memoria virtual, como el UNIVAC 1107 , el PDP-6 y los primeros modelos del PDP-10 , mediante registros base y de límites .

La afirmación de que el concepto de memoria virtual fue desarrollado por primera vez por el físico alemán Fritz-Rudolf Güntsch en la Universidad Técnica de Berlín en 1956 en su tesis doctoral, Diseño lógico de una computadora digital con múltiples tambores giratorios asíncronos y operación automática de memoria de alta velocidad , ^{[ 13 ] [ 14 ]} no resiste un análisis cuidadoso. La computadora propuesta por Güntsch (pero nunca construida) tenía un espacio de direcciones de 10 ⁵ palabras que se mapeaba exactamente a las 10 ⁵ palabras de los tambores, es decir, las direcciones eran direcciones reales y no había ningún tipo de mapeo indirecto, una característica clave de la memoria virtual. Lo que Güntsch sí inventó fue una forma de memoria caché , ya que su memoria de alta velocidad estaba destinada a contener una copia de algunos bloques de código o datos tomados de los tambores. En efecto, escribió (citado en traducción ^{[ 15 ]} ): «El programador no necesita respetar la existencia de la memoria principal (ni siquiera necesita saber que existe), pues solo hay un tipo de direcciones [ sic ] con las que se puede programar como si solo hubiera un almacenamiento». Esta es precisamente la situación en los ordenadores con memoria caché, uno de cuyos primeros ejemplos comerciales fue el IBM System/360 Modelo 85. ^{[ 16 ]} En el Modelo 85, todas las direcciones eran direcciones reales que hacían referencia al almacenamiento principal del núcleo. Un almacenamiento caché de semiconductores, invisible para el usuario, contenía el contenido de las partes del almacenamiento principal utilizadas por el programa que se estaba ejecutando. Esto es exactamente análogo al sistema de Güntsch, diseñado para mejorar el rendimiento, más que para resolver los problemas que implica la multiprogramación.

Ya en 1958, Robert S. Barton , que trabajaba en Shell Research , sugirió que el almacenamiento principal debería asignarse automáticamente en lugar de que el programador se preocupara por las superposiciones de la memoria secundaria, en efecto, memoria virtual. ^{[ 17 ] : 49 [ 18 ]} Para 1960, Barton era el arquitecto principal del proyecto Burroughs B5000 . De 1959 a 1961, WR Lonergan fue gerente del Burroughs Product Planning Group, que incluía a Barton, Donald Knuth como consultor y Paul King. En mayo de 1960, la UCLA organizó un seminario de dos semanas titulado "Uso y explotación de computadoras gigantes", al que fueron enviados Paul King y otros dos. Stan Gill hizo una presentación sobre la memoria virtual en la computadora Atlas I. Paul King llevó las ideas de vuelta a Burroughs y se determinó que la memoria virtual debía diseñarse en el núcleo del B5000. ^{[ 17 ] : 3} . Burroughs Corporation lanzó el B5000 en 1964 como la primera computadora comercial con memoria virtual. ^{[ 19 ]}

IBM desarrolló ^{[ c ]} el concepto de hipervisores en sus CP-40 y CP-67 , y en 1972 lo proporcionó para el S/370 como Virtual Machine Facility/370. ^{[ 21 ]} IBM introdujo la instrucción Start Interpretive Execution ( SIE ) como parte de 370-XA en el 3081, y versiones VM/XA de VM para explotarla.

Antes de que la memoria virtual pudiera implementarse en los sistemas operativos convencionales, hubo que abordar muchos problemas. La traducción dinámica de direcciones requería hardware especializado, costoso y difícil de construir; las implementaciones iniciales ralentizaban ligeramente el acceso a la memoria. ^{[ 7 ]} Existía la preocupación de que los nuevos algoritmos a nivel de sistema que utilizaban almacenamiento secundario fueran menos efectivos que los algoritmos específicos de aplicación utilizados anteriormente. Para 1969, el debate sobre la memoria virtual para computadoras comerciales había terminado; ^{[ 7 ]} un equipo de investigación de IBM liderado por David Sayre demostró que su sistema de superposición de memoria virtual funcionaba consistentemente mejor que los mejores sistemas controlados manualmente. ^{[ 22 ]}

Los sistemas operativos que admitían memoria virtual en los ordenadores centrales de la década de 1960 incluyen:

• Supervisor del Atlas para el Atlas
• El sistema de multiprogramación para Electrologica X8 (memoria virtual basada en software sin soporte de hardware)
• MCP para Burroughs B5000
• MTS , TSS/360 y CP/CMS para el IBM System/360 Modelo 67
• Multics para GE 645
• Sistema operativo de tiempo compartido para el RCA Spectra 70/46

La introducción de la memoria virtual permitió que los sistemas de software con grandes requerimientos de memoria se ejecutaran en computadoras con menos memoria física. El ahorro resultante incentivó considerablemente la adopción de la memoria virtual en todos los sistemas. La capacidad adicional de proporcionar espacios de direcciones virtuales añadió un nivel extra de seguridad y confiabilidad, lo que hizo que la memoria virtual resultara aún más atractiva para el mercado.

A lo largo de la década de 1970, la serie IBM System/370, que ejecutaba sistemas operativos basados ​​en almacenamiento virtual, proporcionó a los usuarios empresariales un medio para migrar múltiples sistemas antiguos a mainframes más potentes y con menor número de ellos, que ofrecían una mejor relación precio/rendimiento. El primer miniordenador en introducir memoria virtual fue el noruego NORD-1 ; durante la década de 1970, otros miniordenadores implementaron memoria virtual, en particular los modelos VAX que ejecutaban VMS .

La memoria virtual se introdujo en la arquitectura x86 con el modo protegido del procesador Intel 80286 , pero su técnica de intercambio de segmentos no escalaba bien con tamaños de segmento mayores. El Intel 80386 introdujo soporte para paginación debajo de la capa de segmentación existente , lo que permitió que la excepción de fallo de página se encadenara con otras excepciones sin doble fallo . Sin embargo, cargar descriptores de segmento era una operación costosa, lo que llevó a los diseñadores de sistemas operativos a depender estrictamente de la paginación en lugar de una combinación de paginación y segmentación. ^{[ 23 ]}

Casi todas las implementaciones actuales de memoria virtual dividen un espacio de direcciones virtuales en páginas , bloques de direcciones de memoria virtual contiguas. Las páginas en los sistemas contemporáneos ^{[ d ]} suelen tener un tamaño de al menos 4 kilobytes ; los sistemas con grandes rangos de direcciones virtuales o grandes cantidades de memoria real generalmente utilizan tamaños de página mayores. ^{[ 24 ]}

Algunos sistemas, como el Burroughs B5500 ^{[ 30 ]} y los sistemas Unisys MCP actuales ^{[ 31 ],} utilizan segmentación en lugar de paginación, dividiendo los espacios de direcciones virtuales en segmentos de longitud variable. El uso de la segmentación hace coincidir los bloques de memoria asignados con las necesidades y solicitudes lógicas de los programas, en lugar de con la vista física de un ordenador, aunque las páginas en sí mismas son una división artificial de la memoria. Los diseñadores del B5000 habrían considerado que el tamaño artificial de las páginas era de naturaleza procusteana , una explicación que posteriormente utilizarían para los tamaños exactos de los datos en el B1700 ^{[ 32 ]} .

En los sistemas Burroughs y Unisys, cada segmento de memoria se describe mediante un descriptor maestro , que es un descriptor absoluto único al que pueden hacer referencia otros descriptores relativos (copia), lo que permite compartir la memoria tanto dentro de un proceso como entre procesos. Los descriptores son fundamentales para el funcionamiento de la memoria virtual en los sistemas MCP. Contienen no solo la dirección de un segmento, sino también su longitud y estado en la memoria virtual, indicados por el bit de presencia ('p'), que indica si la dirección corresponde a un segmento en la memoria principal o a un bloque de almacenamiento secundario. Cuando se accede a un segmento no residente (el bit de presencia está desactivado), se produce una interrupción para cargar el segmento desde el almacenamiento secundario en la dirección especificada o, si la dirección es 0, se asigna un nuevo bloque. En este último caso, el campo de longitud del descriptor se utiliza para asignar un segmento de esa longitud.

Otro problema que presenta el uso de un esquema segmentado es el patrón de tablero de ajedrez, ^{[ 33 ]} donde todos los segmentos libres se vuelven demasiado pequeños para satisfacer las solicitudes de nuevos segmentos. La solución consiste en realizar una compactación de memoria para agrupar todos los segmentos utilizados y crear un gran bloque libre a partir del cual se puedan asignar más segmentos. Dado que existe un único descriptor maestro para cada segmento, la dirección del nuevo bloque solo necesita actualizarse en un único descriptor, ya que todas las copias hacen referencia al descriptor maestro.

La paginación no está exenta de fragmentación; esta fragmentación es interna a las páginas ( fragmentación interna ). Si un bloque solicitado es menor que una página, se desperdiciará espacio en dicha página. Si un bloque requiere más espacio que una página, se necesitará una pequeña área en otra página, lo que resulta en un gran desperdicio de espacio. La fragmentación se convierte así en un problema para los programadores, quienes pueden modificar sus programas para adaptarlos a determinados tamaños de página. Con la segmentación, la fragmentación es externa a los segmentos ( fragmentación externa ) y, por lo tanto, un problema del sistema, que era el objetivo principal de la memoria virtual: liberar a los programadores de estas consideraciones de memoria. En los sistemas multiprocesador, el funcionamiento óptimo del sistema depende de la combinación de procesos independientes en cada momento. Se pueden utilizar esquemas híbridos de segmentación y paginación.

El procesador Intel 80286 admite un esquema de segmentación similar como opción, pero rara vez se utiliza.

La segmentación y la paginación pueden utilizarse conjuntamente dividiendo cada segmento en páginas; los sistemas con esta estructura de memoria, como Multics e IBM System/38 , suelen priorizar la paginación, mientras que la segmentación proporciona protección de memoria. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

En los procesadores Intel 80386 y posteriores IA-32 , los segmentos residen en un espacio de direcciones paginado lineal de 32 bits . Los segmentos pueden moverse dentro y fuera de ese espacio; las páginas allí pueden "paginar" dentro y fuera de la memoria principal, proporcionando dos niveles de memoria virtual; pocos sistemas operativos, si acaso alguno, hacen esto, en su lugar usan solo paginación. Las primeras soluciones de virtualización x86 sin asistencia de hardware combinaban paginación y segmentación porque la paginación x86 ofrece solo dos dominios de protección mientras que un VMM, un sistema operativo invitado o una pila de aplicaciones invitadas necesita tres. ^{[ 37 ] : 22} La diferencia entre los sistemas de paginación y segmentación no es solo sobre la división de la memoria; la segmentación es visible para los procesos de usuario, como parte de la semántica del modelo de memoria. Por lo tanto, en lugar de una memoria que parece un único espacio grande, está estructurada en múltiples espacios.

Esta diferencia tiene consecuencias importantes; un segmento no es una página de longitud variable ni una forma sencilla de ampliar el espacio de direcciones. La segmentación que puede proporcionar un modelo de memoria de un solo nivel en el que no existe diferenciación entre la memoria del proceso y el sistema de archivos consiste únicamente en una lista de segmentos (archivos) mapeados en el espacio de direcciones potencial del proceso. ^{[ 38 ]}

Esto no es lo mismo que los mecanismos proporcionados por llamadas como mmap y MapViewOfFile de Win32 , porque los punteros entre archivos no funcionan al asignar archivos a ubicaciones semi-arbitrarias. En Multics, un archivo (o un segmento de un archivo multisegmento) se asigna a un segmento en el espacio de direcciones, por lo que los archivos siempre se asignan en un límite de segmento. La sección de enlace de un archivo puede contener punteros para los cuales un intento de cargar el puntero en un registro o hacer una referencia indirecta a través de él provoca una interrupción. El puntero no resuelto contiene una indicación del nombre del segmento al que se refiere el puntero y un desplazamiento dentro del segmento; el manejador de la interrupción asigna el segmento al espacio de direcciones, coloca el número de segmento en el puntero, cambia el campo de etiqueta en el puntero para que ya no provoque una interrupción y regresa al código donde ocurrió la interrupción, volviendo a ejecutar la instrucción que la causó. ^{[ 39 ]} Esto elimina por completo la necesidad de un enlazador ^{[ 7 ]} y funciona cuando diferentes procesos asignan el mismo archivo a diferentes lugares en sus espacios de direcciones privados. ^{[ 40 ]}

Algunos sistemas operativos permiten el intercambio de espacios de direcciones completos , además de las funciones de paginación y segmentación. Cuando esto ocurre, el sistema operativo escribe las páginas y segmentos que se encuentran en la memoria principal en archivos de intercambio. Al realizar un intercambio de entrada, el sistema operativo lee los datos de los archivos de intercambio, pero no lee automáticamente las páginas que se habían paginado durante la operación de salida.

El MVS de IBM , desde OS/VS2 Release 2 hasta z/OS , permite marcar un espacio de direcciones como no intercambiable; al hacerlo, no se fija ninguna página en dicho espacio. Esto se puede hacer durante la ejecución de un trabajo introduciendo el nombre de un programa principal elegible ^{[ 41 ]} en la Tabla de propiedades del programa con una bandera de no intercambiable. Además, el código privilegiado puede hacer temporalmente que un espacio de direcciones sea no intercambiable mediante una instrucción de llamada al supervisor SYSEVENT (SVC); ciertos cambios ^{[ 42 ]} en las propiedades del espacio de direcciones requieren que el sistema operativo lo intercambie y luego lo vuelva a insertar, utilizando SYSEVENT TRANSWAP. ^{[ 43 ]}

El intercambio de memoria no requiere necesariamente hardware de gestión de memoria si, por ejemplo, se intercambian varios trabajos dentro y fuera de la misma área de almacenamiento.

• Hennessy, John L.; y Patterson, David A.; Arquitectura de computadoras, un enfoque cuantitativo ( ISBN) 1-55860-724-2)

• Sistemas Operativos: Tres Piezas Fáciles , por Remzi H. Arpaci-Dusseau y Andrea C. Arpaci-Dusseau. Arpaci-Dusseau Books, 2014. Capítulos relevantes: Espacios de direcciones Traducción de direcciones Segmentación Introducción a la paginación TLB Tablas de páginas avanzadas Intercambio: Mecanismos Intercambio: Políticas
• "Programas de supervisión de tiempo compartido" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 1 de noviembre de 2012.En un artículo de Michael T. Alexander titulado " Temas avanzados en programación de sistemas" , publicado en la Conferencia de Verano de Ingeniería de la Universidad de Michigan de 1970 (revisado en mayo de 1971), se comparan los enfoques de planificación y asignación de recursos, incluyendo la memoria virtual y la paginación, utilizados en cuatro sistemas operativos de mainframe: CP-67 , TSS/360 , MTS y Multics .
• LinuxMM: Gestión de memoria de Linux .
• El nacimiento del núcleo de Linux : debate en la lista de correo.
• El administrador de memoria virtual en Windows NT, Randy Kath, Microsoft Developer Network Technology Group, 12 de diciembre de 1992 en Wayback Machine (archivado el 22 de junio de 2010).