Марк Руссинович - 2.Внутреннее устройство Windows (гл. 5-7)

Если рабочие наборы описывают резидентные страницы, принадлежащие процессу или системе, то база daHHbixPFN (номеров фреймов страниц) определяет состояние каждой страницы в физической памяти. Состояния страниц перечислены в таблице 7-20.

База данных PFN состоит из массива структур, представляющих каждую страницу физической памяти в системе. Как показано на рис. 7-33, действительные PTE ссылаются на записи базы данных PFN, а эти записи (если они не относятся к прототипным PFN) — на таблицу страниц, которая их использует. Прототипные PFN ссылаются на прототипные РТЕ.

Страницы, находящиеся в некоторых из перечисленных в таблице 7-20 состояний, организуются в связанные списки, что помогает диспетчеру памяти быстро находить страницы определенного типа. (Активные и переходные страницы не включаются ни в один общесистемный список.) Пример взаимосвязей элементов таких списков в базе данных PFN показан на рис. 7-34.

B следующем разделе вы узнаете, как эти связанные списки используются при обработке ошибок страниц и как страницы перемещаются между различными списками.

ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр базы данных PFN

Команда !memusage отладчика ядра позволяет получить информацию о размерах различных списков страниц. Вот пример вывода этой команды.

Ha рис. 7-35 показана схема состояний фрейма страниц. Для упрощения на ней отсутствует список модифицированных, но не записываемых страниц.

Фреймы страниц перемещаются между различными списками следующим образом.

• Когда диспетчеру памяти нужна обнуленная страница для обслуживания ошибки страницы, обнуляемой по требованию (demand-zero page fault) (ссылки на страницу, которая должна быть заполнена нулями, или на закрытую переданную страницу пользовательского режима, к которой еще не было обращений), он прежде всего пытается получить ее из списка обнуленных страниц. Если этот список пуст, он берет ее из списка свободных страниц и заполняет нулями. Если и этот список пуст, диспетчер памяти извлекает страницу из списка простаивающих страниц и обнуляет ее.

Одна из причин необходимости обнуления страниц — соответствие требованиям защиты уровня C2: процессам пользовательского режима должны передаваться фреймы обнуленных страниц, чтобы не допустить чтения содержимого памяти предыдущих процессов. Поэтому диспетчер памяти передает процессам пользовательского режима фреймы обнуленных страниц, если только страница не считывается из проецируемого файла. B последнем случае диспетчер памяти использует фреймы необнуленных страниц, инициализируя их данными с диска.

Список обнуленных страниц заполняется страницами из списка свободных страниц системным потоком обнуления страниц (zero page thread) — это поток 0 процесса System. Он ждет на объекте-событии, который переходит в свободное состояние при наличии в списке свободных страниц восьми и более страниц. Однако этот поток выполняется, только если не работают другие потоки, поскольку он имеет нулевой приоритет, а наименьший приоритет пользовательского потока — 1.

ПРИМЕЧАНИЕ B Windows Server 2003 и более новых версиях, когда возникает необходимость в обнулении памяти из-за выделения физической страницы драйвером, вызвавшим MmAllocatePagesForMdl, или Windows-приложением, вызвавшими AllocateUserPhysicalPages, либо когда приложение выделяет большие страницы, диспетчер памяти обнуляет память через более эффективную функцию MiZeroInParallel Она проецирует регионы большего размера, чем поток обнуления страниц, который выполняет свою операцию только над одной страницей единовременно. Кроме того, в многопроцессорных системах эта функция создает дополнительные системные потоки для параллельного выполнения операций обнуления (с поддержкой специфических оптимизаций на NUMA-платформах).

• Если диспетчеру памяти не нужны обнуленные станицы, он сначала обращается к списку свободных страниц и, если тот пуст, переходит к списку простаивающих страниц. Прежде чем диспетчер сможет воспользоваться фреймом страниц из списка простаивающих страниц, он должен проследить ссылку из недействительного PTE (или прототипного РТЕ), который еще ссылается на этот фрейм, и удалить ее. Поскольку элементы (записи) базы данных PFN содержат обратные указатели на таблицу страниц предыдущего пользователя (или на прототипный РТЕ, если страницы разделяемые), диспетчер памяти может быстро найти PTE и внести требуемые изменения.

• Когда процессу приходится отдать страницу из своего рабочего набора (из-за ссылки на новую страницу при заполненном рабочем наборе или из-за усечения рабочего набора, инициированного диспетчером памяти), она переходит в список простаивающих страниц (если ее данные не изменялись) или в список модифицированных (если ее данные изменялись, пока она находилась в памяти). По завершении процесса все его закрытые страницы переходят в список свободных страниц. И еще: как только закрывается последняя ссылка на раздел, поддерживаемый страничным файлом, все его страницы тоже переходят в список свободных страниц.

ЭКСПЕРИМЕНТ: наблюдаем за ошибками страниц

Утилита Pfmon из ресурсов Windows 2000 и 2003, а также из Windows XP Support Tools позволяет наблюдать за ошибками страниц по мере их возникновения. Ниже показан фрагмент вывода Pfmon при запуске Notepad и его последующем закрытии. Слово SOFT означает, что ошибка страницы была устранена с помощью одного из переходных списков, а слово HARD — что ошибка страницы потребовала чтения с диска. Обратите внимание на итоговые сведения о подкачке страниц в конце листинга.

При чрезмерном увеличении списка модифицированных страниц либо при уменьшении размера списков обнуленных или простаивающих страниц ниже определенного порогового значения, вычисляемого в ходе загрузки системы и хранящегося в переменной ядра MmMinimumFreePages, пробуждается один из двух системных потоков, который записывает страницы на диск и переводит их в список простаивающих. Один из системных потоков (MiModifiedPageWriter) записывает модифицированные страницы в страничный файл, а другой (MiMappedPageWriter) — в проецируемые файлы. Два потока нужны для того, чтобы избежать тупиковой ситуации, возможной при ошибке страницы в момент записи страниц проецируемых файлов. Эта ошибка потребовала бы свободной страницы в отсутствие таковых, что в свою очередь потребовало бы от подсистемы записи модифицированных страниц создания новых свободных страниц. Поскольку операции ввода-вывода с проецируемыми файлами выполняет второй поток этой подсистемы, он может переходить в состояние ожидания, не блокируя обычные операции ввода-вывода со страничным файлом.

Оба потока выполняются с приоритетом 17, и после инициализации каждый из них ждет на своем объекте-событии. Этот объект переходит в свободное состояние по одной из двух причин.

• Число модифицированных страниц превышает максимум, рассчитанный при инициализации системы (MmModifiedPageMaximum) (в настоящее время — 800 страниц для всех систем).

• Число доступных страниц (MmAvailablePages) меньше значения MmMini-mumFreePages.

Подсистема записи модифицированных страниц ждет еще на одном событии (MiMappedPagesTooOldEvent), которое устанавливается по истечении предопределенного числа секунд (MmModtfiedPageLifeInSeconds), указывая, что проецируемые (а не просто измененные) страницы должны быть записаны на диск. (По умолчанию этот интервал равен 300 секундам. Вы можете изменить его, добавив в раздел реестра HKLMSYSTEMCurrentControlSet ControlSession ManagerMemory Management параметр ModifiedPageLife типа DWORD.) Дополнительное событие используется для того, чтобы снизить риск потери данных при крахе системы или отказе электропитания путем сохранения модифицированных проецируемых страниц, даже если размер списка модифицированных страниц не достиг порогового значения в 800 страниц.

При активизации подсистема записи модифицированных страниц пытается записать на диск как можно больше страниц одним пакетом. Для этого она анализирует поле исходного содержимого PTE в элементах базы данных PFN, которые относятся к страницам, входящим в список модифицированных страниц, и ищет страницы, хранящиеся в непрерывных областях на диске. Подобрав пакет страниц для записи, она выдает запрос на ввод-вывод и после успешного завершения операции ввода-вывода перемещает их в конец списка простаивающих страниц.

При записи страницы к ней может обратиться другой поток. B этом случае счетчики ссылок и числа пользователей в элементе PFN, который представляет физическую страницу, увеличиваются на 1. По окончании операции ввода-вывода подсистема записи модифицированных страниц обнаружит, что счетчик числа пользователей больше не равен 0, и не станет перемещать эту страницу в список простаивающих страниц.