14. Абстракция памяти

1. Абстракция памяти

2. Зависимость программ от памяти

Программа представляет собой последовательность инструкций, написанных на
каком-либо языке программирования, которые выполняются компьютером. Для
того чтобы программа работала правильно и стабильно, ей необходимы три
основных ресурса:
• Процессор: выполняет инструкции программы.
• Память: сохраняет данные и инструкции программы.
• Ввод-вывод: управляет взаимодействием с внешним миром (монитор,
клавиатура, сеть).
Из перечисленных ресурсов память играет особую роль, потому что именно
здесь хранятся как сами команды программы, так и обрабатываемые ею данные.
Рассмотрим подробнее взаимосвязь между программой и памятью.

3. Зависимость программ от памяти

Компьютер имеет несколько уровней памяти, каждый из которых оказывает
различное воздействие на производительность и стабильность программы:
• Регистры CPU: Самые быстрые ячейки памяти, расположенные
непосредственно внутри центрального процессора.
Как влияет на программу: Оптимизация алгоритмов для минимизации
обращений к основной памяти улучшает быстродействие, так как работа с
регистрами выполняется практически мгновенно.
• Кэш-память (L1, L2, L3): Промежуточный слой памяти между регистром и
основной памятью.
Как влияет на программу: Программы, способные организовать локальность
данных (частое обращение к одним и тем же ячейкам памяти), будут
выполняться эффективнее. Неверная организация данных может привести к
снижению производительности из-за промахов кэша.

4. Зависимость программ от памяти

• Основная память (RAM): Основная рабочая область, куда загружаются
выполняемые программы и их данные.
Как влияет на программу: Ограниченность объема RAM накладывает
ограничения на количество запущенных процессов и объем данных, которыми
оперирует каждая программа. Программа должна уметь управлять своими
потребностями в памяти, иначе возможны проблемы вроде нехватки памяти или
замедления работы системы.
• Долговременная память (HDD, SSD): Используется для хранения файлов и
программ, когда компьютер выключен.
Как влияет на программу: Запуск программы начинается с загрузки её
бинарного файла с HDD/SSD в оперативную память. Время старта зависит от
скорости считывания данных с долговременного хранилища. Операции вводавывода также зависят от скорости устройства хранения.

5. Зависимость программ от памяти

Работа программы с памятью включает несколько этапов:
• Выделение памяти:
Когда программе требуются дополнительные ресурсы для хранения данных, она
запрашивает выделение блока памяти у операционной системы. Выделенная
память используется для переменных, структур данных, строк и других
элементов.
• Доступ к памяти:
Инструкция программы обращается к определенному адресу памяти для чтения
или изменения данных. Например, оператор присваивания a = b + c требует
сначала прочитать значения переменных b и c, затем сохранить результат в
переменную a.
• Освобождение памяти:
После завершения обработки данных важно освободить ранее выделенную
память, чтобы избежать проблем с производительностью и стабильностью.
Неосвобожденная память ведет к утечкам, когда доступные ресурсы постепенно
исчерпываются.

6. Зависимость программ от памяти

Проблемы, возникающие из-за некорректного использования памяти:
• Переполнение буферов:
Возникает, когда программа пытается записать данные за пределы выделенного
участка памяти. Последствия могут варьироваться от простого сбоя программы
до серьезного нарушения безопасности (например, атаки типа buffer overflow).
• Утечка памяти:
Происходит, когда программа выделяет участок памяти, но забывает его
освободить после окончания работы. Со временем такая ситуация приведет к
нехватке свободной памяти, ухудшению производительности и возможной
остановке работы программы.
• Фрагментация памяти:
Эффект возникает вследствие хаотичного выделения и освобождения участков
памяти. Фрагменты неиспользуемого пространства становятся маленькими и
разбросанными, усложняя эффективное использование оставшейся памяти.
• Несоответствие типов данных:
Попытка сохранения больших значений в меньших областях памяти (например,
попытка поместить число длиной 8 байт в переменную размером 4 байта) может
вызвать ошибку переполнения или повреждение соседних данных.

7. Абстракция памяти

Абстракция памяти — это процесс отделения представления объектов
программы от реальных физических адресов оперативной памяти компьютера.
Этот механизм позволяет разработчикам программного обеспечения писать код
независимо от деталей физической организации аппаратуры, скрывая
сложность физического уровня и обеспечивая гибкость, переносимость и
безопасность приложений.

8. Основные цели абстракция памяти

1. Независимость от оборудования
Программирование должно происходить таким образом, чтобы программа была
совместима с различными типами устройств и платформ, даже если архитектура
системы изменяется. Например, современные компьютеры используют
виртуализацию и механизмы трансляции адресов, благодаря которым одна и та
же программа может выполняться одинаково хорошо на системах Intel x86,
ARM и PowerPC.

9. Основные цели абстракция памяти

2. Безопасность
Физическое управление памятью обеспечивает доступ каждого процесса только
к своим выделенным областям. Это предотвращает несанкционированный
доступ к данным других процессов и защищает систему от вредоносных
действий. Если бы приложения имели прямой доступ ко всей физической
памяти, хакерам было бы проще нарушить работу ОС и атаковать критически
важные компоненты.

10. Основные цели абстракция памяти

3. Упрощение разработки
Разработчики работают с высокоуровневыми конструкциями, такими как
объекты, структуры данных и массивы, которые автоматически преобразуются
компилятором или интерпретатором в соответствующие операции над
физическими ресурсами. Это значительно упрощает разработку сложных
приложений и снижает вероятность ошибок.

11. Основные цели абстракция памяти

Для достижения целей абстракции используются разнообразные методы и
технологии, среди которых выделяются следующие ключевые подходы:
1. Адресное пространство
Каждый процесс получает свое собственное виртуальное адресное
пространство, которое отображается на физическую память операционной
системой посредством таблиц страниц или сегментов. Адресное пространство
является непрерывным и абстрактным для прикладных программ, хотя
физическая память может фрагментироваться или размещаться неравномерно.
Например, приложение работает с диапазоном адресов начиная с нуля, но на
физическом уровне реальные адреса могут начинаться с произвольного места
RAM.

12. Основные цели абстракция памяти

2. Механизмы защиты памяти
Современные операционные системы реализуют меры защиты, такие как
контроль прав доступа (например, read-only страницы для исполняемого кода).
Эти меры помогают предотвратить повреждения и утечки памяти, исключают
перезапись одних областей другими приложениями.
Примером является использование механизма «Stack Guard», защищающего
стек от переполнения и попыток записи в области, предназначенные только для
чтения.

13. Основные цели абстракция памяти

3. Виртуальная память
Это концепция, позволяющая запускать процессы, превышающие размер
доступной физической памяти. Система создает иллюзию наличия большого
объема памяти путем загрузки фрагментов процесса («страниц») из жесткого
диска (или SSD) в оперативную память по мере необходимости. Механизм
называется «подкачкой страниц».
Пример: файл pagefile.sys в Windows или /swapfile в Linux хранит страницы,
временно выгруженные из ОЗУ.

14. Основные цели абстракция памяти

4. Разделение памяти
Процессы могут разделять части своей памяти для взаимодействия друг с
другом. Пример такого подхода — межпроцессное взаимодействие (IPC) через
общие блоки памяти (shared memory), используемые несколькими процессами
одновременно.
Этот метод применяется, например, в многопоточности и распределенных
вычислениях, позволяя нескольким потокам обмениваться информацией быстро
и эффективно.

15. Абстракция памяти

Преимущества абстракции памяти:
1. Повышение производительности за счёт уменьшения накладных расходов
на оптимизацию низкоуровневых операций с памятью.
2. Уменьшение числа уязвимых мест, поскольку система управления памятью
контролирует права доступа и сегментацию памяти.
3. Улучшенная поддержка масштабирования и распределения нагрузки на
большие вычислительные мощности.
4. Удобство и простота программирования, особенно для разработчиков
начального уровня, поскольку не требуется знание всех тонкостей
архитектуры конкретной машины.

16. Практическое применение абстракции памяти

1. Автоматическое управление памятью (Python)
Python предоставляет удобный способ работы с объектами, используя
автоматическую сборку мусора. Вам не нужно самостоятельно заботиться о
выделении и освобождении памяти — Python сделает это за вас.
Объекты создаются автоматически, а память освобождается, когда объект
становится ненужным (например, ссылка на него удаляется). Сборщик мусора
отслеживает это состояние и очищает память автоматически.

17. Практическое применение абстракции памяти

2. Явное управление памятью (C++)
В отличие от Python, в C++ управление памятью возлагается на программиста.
Однако, существуют эффективные инструменты для автоматизации этих задач,
такие как умные указатели (std::unique_ptr, std::shared_ptr).
Умные указатели позволяют автоматически освобождать память, когда объект
выходит из области видимости, снижая риски утечек памяти.

18. Практическое применение абстракции памяти

3. Контроль доступа к объектам (Java)
Java применяет строгие правила проверки границ массива и исключения при
доступе к несуществующим индексам. Таким образом обеспечивается защита от
выхода за границы массива и случайных изменений чужих данных.
При попытке обратиться к несуществующему элементу массива Java
выбрасывает исключение, предупреждая об ошибке.

19. Практическое применение абстракции памяти

Рекомендации по эффективной работе с памятью:
• Используйте интеллектуальные указатели:
Вместо традиционных указателей используйте умные указатели (unique_ptr,
shared_ptr), чтобы избежать утечек памяти.
• Проверяйте индексы:
Всегда проверяйте границы массивов перед обращением к элементам, чтобы
избежать ошибок и угроз безопасности.
• Применяйте встроенные контейнеры:
Используйте стандартные библиотеки контейнеров (например, vector, map в
C++) вместо ручной реализации структур данных.
• Собирайте мусор аккуратно:
Хотя многие языки поддерживают автоматическую сборку мусора, учитывайте
затраты на очистку памяти большими объектами.
• Избегайте преждевременной оптимизации:
Начинайте с понятного дизайна и рефакторинга кода позже, если возникнет
необходимость.

20. Примеры применения абстракции памяти

1. Проверка отсутствия утечек памяти
Одним из важнейших аспектов тестирования абстракции памяти является
проверка на наличие утечек памяти. Утечка памяти возникает, когда созданные
объекты остаются активными и продолжают занимать память, несмотря на
отсутствие ссылок на них.
Описание теста:
• Мы создаем большой объект
(large_object), который должен
занять много памяти.
• Затем удаляем ссылку на этот
объект и принудительно собираем
мусор с помощью gc.collect().
• После небольшой паузы
проверяем количество оставшихся
объектов и убеждаемся, что оно
вернулось примерно к начальному
уровню.

21. Примеры применения абстракции памяти

2. Тестирование поведения сборщика мусора
Сборщик мусора в Python срабатывает автоматически, но иногда полезно
проверить, насколько эффективно он справляется с задачей. Можно
протестировать простейшую ситуацию, где создается большое количество
объектов, которые затем удаляются:
Описание теста:
• Здесь мы используем
слабый рефлексивный объект
(weakref.ref), который следит
за состоянием нашего
объекта.
• После удаления объекта
вызывается сборщик мусора,
и если объект успешно
очищен, наш обратный вызов
сработает, сигнализируя
успех.

22. Примеры применения абстракции памяти

4. Трассировка создания и уничтожения объектов
Еще один полезный тест — трассировка жизненного цикла объектов, что
помогает обнаружить моменты, когда объекты создаются или удаляются
неправильно:
Описание теста:
• Функция sys.getsizeof() показывает точный размер объекта в памяти.
• С помощью инструментов трассировки (tracemalloc) можно видеть, когда
происходят выделения и освобождения памяти.

23.

Задания
Ответьте на вопросы:
1) Какие ресурсы необходимы программам?
2) Перечислите уровни памяти;
3) Что такое регистры CPU?
4) Что такое кэш-память?
5) Что такое основная память (RAM)?
6) Что такое долговременная память (HDD, SSD)?
7) Перечислите несколько этапов работы программы;
8) Какие проблемы могут возникнуть из-за некорректного использования
памяти?
9) Что такое абстракция памяти?
10) Перечислите основные цели абстракция памяти;
11) Назовите ключевые подходы для достижения целей абстракции;
12) Назовите преимущества абстракции памяти;

24. Благодарю за внимание