Аннотация:
В течение долгого времени существовало, казалось бы, разумное объяснение того, почему 32-битная Windows может использовать только 4 ГБ памяти: потому что 32-битные адреса могут представлять только 2^32 адреса, что составляет максимум 4 ГБ памяти. Но старший инженер Microsoft Рэймонд Чен недавно дал новое объяснение этой исторической проблеме и отметил, что это утверждение является неполным. Фактически, 32-разрядные процессоры x86 и Windows уже давно имеют возможность доступа к более чем 4 ГБ физической памяти. Основной причиной, по которой Microsoft в конце концов решила ограничить размер обычной потребительской версии Windows 4 ГБ, был серьезный риск совместимости в огромной и сложной экосистеме драйверов оборудования того времени.
С точки зрения чисто аппаратных возможностей 32-разрядные процессоры имеют доступ не только к 4 ГБ физической памяти. Intel представила расширение физического адреса, также известное как технология PAE (расширение физического адреса), еще в эпоху Pentium Pro, позволяя 32-битным процессорам x86 использовать 36-битные физические адреса. Таким образом, теоретический объем адресной физической памяти увеличивается с 4 ГБ до 64 ГБ.
PAE не меняет виртуальное адресное пространство самого 32-битного приложения. Обычная 32-разрядная программа по-прежнему видит только виртуальное адресное пространство размером 4 ГБ, и операционная система должна отвечать за управление и сопоставление этого ограниченного виртуального адресного пространства с большей физической памятью. Другими словами, PAE решает проблему того, как операционная система управляет более чем 4 ГБ физической памяти, вместо того, чтобы позволить одной 32-битной программе внезапно получить более 4 ГБ непрерывного адресного пространства.
Microsoft уже давно пользуется этой возможностью. Некоторые серверные версии Windows Server 2003 могут использовать гораздо больше, чем 4 ГБ памяти через PAE, при этом Enterprise Edition поддерживает до 64 ГБ, а Datacenter Edition даже до 128 ГБ. Это доказывает, что фраза «32-битная Windows технически может использовать только 4 ГБ» не соответствует действительности.
Настоящая проблема заключается в драйвере.
Когда PAE включен, система может предоставлять драйверу оборудования физические адреса за пределами 32-битного диапазона. Для драйверов, написанных в традиционной 32-битной среде, это приведет к очень опасной проблеме: некоторые драйверы по умолчанию полагают, что физический адрес никогда не превысит 32 бита, поэтому они напрямую отсекают старшие биты адреса.
Например, Windows может сообщить драйверу, что определенный фрагмент данных должен быть записан в ячейку физической памяти за пределами диапазона адресов 4 ГБ, но если драйвер по ошибке отбросит старшие биты, это может привести к записи данных в совершенно другую область памяти. Это может не только привести к ненормальному запуску программы, но также может привести к перезаписи других данных, что в конечном итоге приведет к повреждению памяти, сбою системы или даже сбою при запуске.
В предыдущей технической документации Microsoft также указывалось, что после включения PAE в драйвер обычно необходимо внести некоторые, казалось бы, небольшие, но очень важные изменения. Проблема заключалась в том, что разработчикам драйверов приходилось следить за тем, чтобы их код не предполагал, что физические адреса находятся в том же диапазоне, что и 32-битные виртуальные адреса, что в то время имело место для большого количества драйверов оборудования.
Это особенно опасно на обычных потребительских компьютерах. Аппаратная среда сервера обычно очень фиксирована. Системные администраторы выберут проверенное серверное оборудование и попытаются использовать стандартные драйверы, поставляемые с Windows. Обычные ПК совершенно другие. Пользователи могут устанавливать различные принтеры, сканеры, звуковые карты, ТВ-карты, камеры, сетевые карты и другие устройства расширения. За каждым устройством могут стоять драйверы, написанные разными производителями и разными поколениями.
Microsoft не смогла гарантировать, что все это большое количество сторонних драйверов сможет правильно обрабатывать физические адреса, размер которых превышает 4 ГБ.
Что еще более неприятно, так это то, что некоторые проблемы не проявляются в обычной среде с объемом памяти менее 4 ГБ. Драйвер может работать нормально годами, пока однажды система не передаст ему 4 ГБ физических адресов и внезапно не появятся скрытые в коде ошибки. Если драйвер усекает этот адрес, в результате данные могут быть записаны в неверную ячейку памяти, что приведет к случайным сбоям и повреждению данных, которые чрезвычайно сложно устранить.
Поэтому Microsoft в конце концов выбрала решение, которое казалось очень консервативным, но было более безопасным для обычных потребителей: активно ограничивать физическое адресное пространство в 32-битной версии клиента Windows и запрещать системе использовать более 4 ГБ физической памяти.
Windows XP и Windows Server 2003 SP1 являются важными узлами этой политики. Microsoft изменила уровень аппаратной абстракции обоих, чтобы ограничить физическое адресное пространство 4 ГБ в соответствующей версии клиента. Цель заключается не в том, что процессор не может получить доступ к более высоким адресам, а в том, чтобы предотвратить использование PAE несовместимых сторонних драйверов.
Это также объясняет, почему Windows Server может использовать более 4 ГБ памяти, а Windows для обычных пользователей — нет.
Администраторы серверов обычно не подключают к рабочему серверу старый USB-сканер, купленный более чем за десять долларов, не говоря уже о установке стороннего драйвера, выпущенного более десяти лет назад, чтобы использовать обычное устройство бытовой электроники. Серверные среды обычно тщательно проверяются, используемое оборудование и драйверы более фиксированы, и Microsoft может полностью протестировать драйверы, поставляемые с системой.
Рэймонд Чен объяснил эту разницу очень просто: администраторы серверов не будут просто устанавливать драйвер для дешевого устройства, как обычные потребители, а драйверы, используемые на серверах, обычно проверяются для сред с большим количеством физических адресов.
У обычных пользователей все наоборот. На потребительских компьютерах могут быть установлены драйверы для десятков различных устройств, некоторые из которых относятся к оборудованию, которому более десяти лет. Для Microsoft риск сделать все эти драйверы PAE-совместимыми гораздо выше, чем штраф за ограничение памяти.
На самом деле, даже если в 32-разрядной версии Windows установлено 4 ГБ памяти, пользователи могут не увидеть полные 4 ГБ. Причина в том, что физическое адресное пространство ниже 4 ГБ должно использоваться не только для системной памяти, но также должно отображать память устройств видеокарт, сетевых карт, звуковых карт и другого оборудования. Если аппаратное обеспечение занимает часть адресного пространства, то часть оперативной памяти должна быть выделена выше границы адреса в 4 ГБ.
В результате на многих 32-разрядных компьютерах Windows с установленным 4 ГБ ОЗУ система может использовать только около 3 ГБ или меньше ОЗУ. Это также одна из основных причин, почему на большом количестве компьютеров с Windows XP наблюдалось явление «установлено 4 ГБ, но система может использовать только около 3 ГБ».
Microsoft также категорически опровергла давнюю теорию заговора о том, что Microsoft намеренно ограничивала память в 32-битной Windows, чтобы заставить потребителей покупать дорогой Windows Server. Хотя Windows Server действительно может использовать больше памяти, Microsoft считает, что рынки и аппаратные среды для этих двух систем совершенно разные, и ограничение в 4 ГБ для клиентской версии сделано главным образом для того, чтобы избежать проблем совместимости драйверов.
Более того, если Microsoft действительно хотела, чтобы обычные пользователи покупали Windows Server для решения проблем с памятью, цена этого решения была явно смешной. Самой дешевой версией Windows Server 2003, которая могла поддерживать более 4 ГБ памяти, была Enterprise Edition, цена которой составляла 3999 долларов, что не имело практического значения для обычных потребителей.
С постепенной популяризацией 64-битных процессоров и 64-битных операционных систем этот вопрос со временем потерял свое практическое значение. 64-разрядная версия Windows имеет гораздо больше, чем 4 ГБ адресного пространства, что позволяет ей использовать большие объемы физической памяти, сохраняя при этом совместимость. По мере того как компьютеры постепенно вступают в эпоху памяти в несколько ГБ, а то и в десятки или сотни ГБ, 32-битная архитектура в конечном итоге уходит с основного рынка.
Начиная с 2020 года Microsoft постепенно прекратит продвижение новых систем с 32-битными процессорами и в конечном итоге полностью отменит 32-битную версию в эпоху Windows 11. В текущем официальном документе поддержки Microsoft также четко указано, что Windows 11 и выше предоставляют только 64-битные версии.
Эта история также отражает интересную проблему: чем больше аппаратных ресурсов, тем легче программному обеспечению «ожиреть». Если бы ПК всегда были ограничены 4 ГБ памяти, разработчикам программного обеспечения, возможно, пришлось бы уделять больше внимания использованию памяти; а поскольку объем памяти компьютера быстро увеличивается с 4 ГБ до 8 ГБ, 16 ГБ и даже 64 ГБ, многие приложения постепенно привыкают к потреблению большего количества ресурсов.
В настоящее время некоторые приложения нередко легко занимают сотни МБ или даже ГБ памяти. Сейчас Microsoft усердно работает над тем, чтобы Windows 11 работала хорошо на компьютерах с 8 ГБ памяти, а огромный спрос на ресурсы памяти со стороны приложений искусственного интеллекта еще раз заставил всю отрасль осознать важность эффективности использования памяти.
Поэтому, хотя ограничение 32-битной версии Windows на 4 ГБ наконец-то ушло в прошлое, причина этого не так проста, как «32-битные процессоры могут обрабатывать только 4 ГБ памяти». Реальный ответ заключается в том, что Microsoft столкнулась с огромной экосистемой, состоящей из тысяч сторонних драйверов оборудования различного качества. Технически возможно превысить 4 ГБ, но если прорыв приведет к случайному сбою большого количества потребительских компьютеров, то эта возможность может стать обузой для клиентской операционной системы.
С этой точки зрения ограничение Windows в 4 ГБ — это не просто техническое узкое место, а инженерный выбор, сделанный заранее для обеспечения стабильности и совместимости. У 32-битной Windows действительно была возможность пробить 4 ГБ в течение длительного времени. Однако, столкнувшись с неконтролируемой в то время экосистемой драйверов, Microsoft, наконец, решила пожертвовать некоторыми аппаратными возможностями, чтобы обычные пользователи могли более стабильно использовать компьютеры.
Комментарии