Распределение оперативной памяти в Microsoft Windows 95/98

С точки зрения базовой архитектуры ОС Windows 95/98 они обе являются 32-разрядными, многопотоковыми ОС с вытесняющей многозадачностью. Основ­ной пользовательский интерфейс этих ОС — графический. Для своей загрузки они используют операционную систему MS-DOS 7.0 (MSt DOS 98), и в случае если в файле ivISDOS.SYS в секции [Options] прописано BootGUI = 0, то процессор работает в обычном реальном режиме (см. следующий раздел). Распределение памяти в MS-DOS 7.O. такое же, как и в предыдущих версиях DOS. Однако при загрузке GUI-интерфейса перед загрузкой ядра Win­dows 95/98 процессор переключается в защищенный режим работы и начинает распределять память уже с помощью страничного механизма. Использование так называемой плоской модели памяти, при которой все возмож­ные сегменты, которые может использовать программист, совпадают друг с дру­гом и имеют максимально возможный размер, определяемый системными согла­шениями данной ОС, приводит к тому, что с точки зрения программиста память получается неструктурированной. За счет представления адреса как пары (Р, i) память можно трактовать и как двумерную, то есть «плоскую», но при этом ее можно трактовать и как линейную, и это существенно облегчает создание сис­темного программного обеспечения и прикладных программ с помощью соот­ветствующих систем программирования.

Таким образом, в системе фактически действует только страничный механизм преобразования виртуальных адресов в физические. Программы используют клас­сическую «small» (малую) модель памяти [73]. Каждая прикладная программа определяется 32-битными адресами, в которых сегмент кода имеет то же значе­ние, что и сегменты данных. Единственный сегмент программы отображается не­посредственно в область виртуального линейного адресного пространства, кото-

рый, в свою очередь, состоит из 4 килобайтных страниц. Каждая страница может располагаться где угодно в оперативной памяти (естественно, в том месте, куда ее разместит диспетчер памяти, который сам находится в невыгружаемой облас­ти) или может быть перемещена на диск, если не запрещено использовать стра­ничный файл.

Младшие адреса виртуального адресного пространства совместно используются всеми процессами. Это сделано для обеспечения совместимости с драйверами устройств реального режима, резидентными программами и некоторыми 16-раз­рядными программами Windows. Безусловно, это плохое решение с точки зре­ния надежности, поскольку оно приводит к тому, что любой процесс может непреднамеренно (или же, наоборот, специально) испортить компоненты, нахо­дящиеся в этих адресах.

В Windows 95/98 каждая 32-разрядная прикладная программа выполняется в сво­ем собственном адресном пространстве, но все они используют совместно один и тот же 32-разрядный системный код. Доступ к чужим адресным пространствам в принципе возможен. Другими словами, виртуальные адресные пространства не используют всех аппаратных средств защиты, заложенных в микропроцессор. В результате неправильно написанная 32-разрядная прикладная программа мо­жет привести к аварийному сбою всей системы. Все 16-битовые прикладные программы Windows разделяют общее адресное пространство, поэтому они так же уязвимы друг перед другом, как и в среде Windows 3.X.

Системный код Windows 95 размещается выше границы 2 Гбайт. В пространстве с отметками 2 и 3 Гбайт находятся системные библиотеки DLL¹, используемые несколькими программами. Заметим, что в 32-битовых микропроцессорах се­мейства i80x86 имеются четыре уровня защиты, именуемые кольцами с номера­ми от 0 до 3. Кольцо с номером 0 является наиболее привилегированным, то есть максимально защищенным. Компоненты системы Windows 95, относящиеся к кольцу 0, отображаются на виртуальное адресное пространство между 3 и 4 Гбайт. К этим компонентам относятся собственно ядро Windows, подсистема управле­ния виртуальными машинами, модули файловой системы и виртуальные драй­веры (VxD).

Область памяти между 2 и 4 Гбайт адресного пространства каждой 32-разрядной прикладной программы совместно используется всеми 32-разрядными приклад­ными программами. Такая организация позволяет обслуживать вызовы API не­посредственно в адресном пространстве прикладной программы и ограничивает размер рабочего множества. Однако за это приходится расплачиваться снижени­ем надежности. Ничто не может помешать программе, содержащей ошибку, про­извести запись в адреса, принадлежащие системным DLL, и вызвать крах всей системы.

В области между 2 и 3 Гбайт также находятся все запускаемые 16-разрядные прикладные программы Windows. С целью обеспечения совместимости эти про­граммы выполняются в совместно используемом адресном пространстве, где они могут испортить друг друга так же, как и в Windows 3.x.