Если не принимать во внимание программирование на машинном языке (эта технология практически не используется уже очень давно), то можно сказать, что программист обращается к памяти с помощью некоторого набора логических имен, которые чаще всего являются символьными, а не числовыми и для которого отсутствует отношение порядка. Другими словами, в общем случае множество переменных неупорядочено, хотя отдельные переменные и могут иметь частичную упорядоченность (например, элементы массива). Имена переменных и входных точек программных модулей составляют пространство имен.
С другой стороны, существует понятие физической оперативной памяти, собственно с которой и работает процессор, извлекая из неё команды и данные и помещая в неё результаты вычислений. Физическая память представляет собой упорядоченное множество ячеек, и все они пронумерованы, то есть к каждой из них можно обратиться, указав её порядковый номер (адрес). Количество ячеек физической памяти ограничено и фиксировано.
Системное программное обеспечение должно связать каждое указанное пользователем имя с физической ячейкой памяти, то есть осуществить отображение пространства имён на физическую память компьютера. В общем случае это отображение осуществляется в два этапа сначала системой программирования, а затем операционной системой (с помощью специальных программных модулей управления памятью и использования соответствующих аппаратных средств вычислительной системы). Между этими этапами обращения к памяти имеют форму виртуального или логического адреса. При этом можно сказать, что множество всех допустимых значений виртуального адреса для некоторой программы определяет её виртуальное адресное пространство или виртуальную память. Виртуальное адресное пространство программы прежде всего зависит от архитектуры процессора и от системы программирования и практически не зависит от объёма реальной физической памяти, установленной в компьютер. Можно ещё сказать, что адреса команд и переменных в готовой машинной программе, подготовленной к выполнению системой программирования, как раз и являются виртуальными адресами.
Как мы знаем, система программирования осуществляет трансляцию и компоновку программы, используя библиотечные программные модули. В результате работы системы программирования полученные виртуальные адреса могут иметь как двоичную форму, так и символьно-двоичную, то есть некоторые программные модули (их, как правило, большинство) и их переменные получают какие-то числовые значения, а те модули, адреса для которых не могут быть сейчас определены, имеют по-прежнему символьную форму и окончательная привязка их к физическим ячейкам будет осуществлена на этапе загрузки программы в память перед её непосредственным выполнением.
Одним из частных случаев отображения пространства имен на физическую память является тождественность виртуального адресного пространства физической памяти. При этом нет необходимости осуществлять второе отображение. В данном случае говорят, что система программирования генерирует абсолютную двоичную программу; в этой программе все двоичные адреса таковы, что программа может исполняться только в том случае, если её виртуальные адреса будут точно соответствовать физическим. Часть программных модулей любой операционной системы обязательно должна быть абсолютными двоичными программами. Эти программы размещаются по фиксированным адресам и с их помощью уже можно впоследствии реализовывать размещение остальных программ, подготовленных системой программирования таким образом, что они могут работать на различных физических адресах (то есть на тех адресах, на которые их разместит операционная система).
Другим частным случаем этой общей схемы трансляции адресного пространства является тождественность виртуального адресного пространства исходному пространству имен. Здесь уже отображение выполняется самой ОС, которая во время исполнения использует таблицу символьных имен. Такая схема отображения используется чрезвычайно редко, так как отображение имен на адреса необходимо выполнять для каждого вхождения имени (каждого нового имени) и особенно много времени тратится на квалификацию имен. Данную схему можно было встретить в интерпретаторах, в которых стадии трансляции и исполнения практически неразличимы. Это характерно для простейших компьютерных систем, в которых вместо операционной системы использовался встроенный интерпретатор (например, Basic). Возможны и промежуточные варианты. В простейшем случае транслятор-компилятор генерирует относительные адреса, которые, по сути, являются виртуальными адресами с последующей настройкой программы на один из непрерывных разделов. Второе отображение осуществляется перемещающим загрузчиком. После загрузки программы виртуальный адрес теряется, и доступ выполняется непосредственно к физическим ячейкам. Более эффективное решение достигается в том случае, когда транслятор вырабатывает в качестве виртуального адреса относительный адрес и информацию о начальном адресе, а процессор, используя подготавливаемую операционной системой адресную информацию, выполняет второе отображение не один раз (при загрузке программы), а при каждом обращении к памяти. Термин виртуальная память фактически относится к системам, которые сохраняют виртуальные адреса во время исполнения. Так как второе отображение осуществляется в процессе исполнения задачи, то адреса физических ячеек могут изменяться. При правильном применении такие изменения могут улучшить использование памяти, избавив программиста от деталей управления ею, и даже увеличить надёжность вычислений. Если рассматривать общую схему двухэтапного отображения адресов, то с позиции соотношения объёмов упомянутых адресных пространств можно отметить наличие следующих трех ситуаций:
- объём виртуального адресного пространства программы Vv меньше объёма физической памяти Vp;
- Vv=Vp;
- Vv>Vp.
Первая ситуация, при которой Vv<Vp, ныне практически не встречается, но тем не менее это реальное соотношение. Скажем, не так давно 16-разрядные мини ЭВМ имели систему команд, в которых пользователи-программисты могли адресовать до 216=64K адресов (обычно в качестве адресуемой единицы выступала ячейка памяти размером 1 байт). А физически старшие модели этих мини-ЭВМ могли иметь объём оперативной памяти в несколько мегабайт. Обращение к памяти столь большого объёма осуществлялось с помощью специальных регистров, содержимое которых складывалось с адресом операнда (или команды), извлекаемым и/или определяемым из поля операнда (или из указателя команды). Соответствующие значения в эти специальные регистры, выступающие как базовое смещение в памяти, заносила операционная система. Для одной задачи в регистр заносилось одно значение, а для второй (третьей, четвертой и т. д.) задачи, размещаемой одновременно с первой, но в другой области памяти, заносилось, соответственно, другое значение. Вся физическая память, таким образом, разбивалась на разделы объёмом по 64 Кбайт, и на каждый такой раздел осуществлялось отображение своего виртуального адресного пространства. Ситуация, когда Vv=Vp встречается очень часто, особенно характерна она была для недорогих вычислительных комплексов. Для этого случая имеется большое количество методов распределения оперативной памяти. Наконец, в наше время мы уже достигли того, что ситуация Vv>Vp встречается даже в ПК, то есть в самых распространенных и недорогих компьютерах. Теперь это самая распространенная ситуация и для неё имеется несколько методов распределения памяти, отличающихся как сложностью, так и эффективностью.
