Нехватка памяти: причины и последствия

Введение

Состояние работы компьютера, при котором невозможно выделить дополнительную память.

Нехватка памяти (OOM) – часто нежелательное состояние работы компьютера, когда невозможно выделить дополнительную память для использования программами или операционной системой. Такая система не сможет загрузить какие-либо дополнительные программы, и поскольку многие программы могут загружать дополнительные данные в память во время выполнения, они перестанут функционировать корректно. Обычно это происходит из-за того, что вся доступная память, включая пространство подкачки, уже выделена.

История

Исторически, ситуация нехватки памяти возникала чаще, чем сейчас, поскольку ранние компьютеры и операционные системы были ограничены небольшим объемом физической оперативной памяти (RAM) из-за неспособности ранних процессоров адресовать большие объемы памяти, а также из-за соображений стоимости. С появлением виртуальной памяти и использованием файла подкачки эта ситуация стала менее распространенной. Почти все современные программы предполагают возможность свободного выделения и освобождения памяти во время выполнения и, как правило, аварийно завершают работу (сбой), если это предположение не выполняется; более старые программы часто выделяли память только один раз, проверяли, достаточно ли её для выполнения всех задач, и затем не ожидали дальнейшего выделения. Поэтому они либо сразу же выдавали сообщение об ошибке "не хватает памяти" (OOME), либо работали как ожидалось. Ранние операционные системы, такие как MS DOS, не поддерживали многозадачность. Программам выделялась физическая память, которую они могли использовать по мере необходимости. Физическая память часто была дефицитным ресурсом, и когда она исчерпывалась приложениями, например, с функциями "завершить работу и остаться в памяти", запуск новых приложений был невозможен до закрытия работающих. Современные операционные системы предоставляют виртуальную память, в которой процессам выделяется диапазон памяти, не соответствующий напрямую физической оперативной памяти. Виртуальная память может быть обеспечена физической оперативной памятью, дисковым файлом через mmap (в производных Unix) или MapViewOfFile (в Windows), либо файлом подкачки, и операционная система может перемещать страницы виртуальной памяти по мере необходимости. Поскольку виртуальная память не обязательно должна быть обеспечена физической памятью, её исчерпание встречается редко, и обычно операционная система накладывает другие ограничения на потребление ресурсов. Как и предсказывал закон Мура, объем физической памяти во всех компьютерах рос почти экспоненциально, хотя это в некоторой степени компенсируется увеличением размеров самих программ и файлов. В некоторых случаях компьютер с поддержкой виртуальной памяти, где большая часть загруженных данных находится на жестком диске, может исчерпать физическую память, но не виртуальную, что приводит к чрезмерной подкачке. Это состояние, известное как "thrashing", обычно делает компьютер непригодным для использования, пока не будут закрыты некоторые программы или не будет выполнена перезагрузка. По этим причинам сообщение о нехватке памяти редко встречается в приложениях на современных компьютерах. Однако, всё ещё возможно столкнуться с ситуацией OOM на современном компьютере. Типичный случай OOM на современных компьютерах возникает, когда операционная система не может создать дополнительную виртуальную память, поскольку все потенциальные носители для её поддержки заполнены или отключены пользователем. Эта ситуация может возникнуть из-за механизма copy-on-write после вызова fork.

Historically, the out of memory condition was more common than it is now, since early computers and operating systems were limited to small amounts of physical random access memory (RAM) due to the inability of early processors to address large amounts of memory, as well as cost considerations. Since the advent of virtual memory opened the door for the usage of swap space, the condition is less frequent. Almost all modern programs expect to be able to allocate and deallocate memory freely at run time, and tend to fail in uncontrolled ways (crash) when that expectation is not met; older ones often allocated memory only once, checked whether they got enough to do all their work, and then expected no more to be forthcoming. Therefore, they would either fail immediately with an "out of memory" error (OOME) message, or work as expected. Early operating systems such as MS DOS lacked support for multitasking. Programs were allocated physical memory that they could use as they needed. Physical memory was often a scarce resource, and when it was exhausted by applications such as those with terminate and stay resident functionality, no further applications could be started until running applications were closed. Modern operating systems provide virtual memory, in which processes are given a range of memory, but where the memory does not directly correspond to actual physical RAM. Virtual memory can be backed by physical RAM, a disk file via mmap (on Unix derivatives) or MapViewOfFile (on Windows), or swap space, and the operating system can move virtual memory pages around as it needs. Because virtual memory does not need to be backed by physical memory, exhaustion of it is rare, and usually there are other limits imposed by the operating system on resource consumption. As predicted by Moore's law, the amount of physical memory in all computers has grown almost exponentially, although this is offset to some degree by programs and files themselves becoming larger. In some cases, a computer with virtual memory support where the majority of the loaded data resides on the hard disk may run out of physical memory but not virtual memory, thus causing excessive paging. This condition, known as thrashing, usually renders the computer unusable until some programs are closed or the machine is rebooted. Due to these reasons, an out of memory message is rarely encountered by applications with modern computers. It is, however, still possible to encounter an OOM condition with a modern computer. The typical OOM case in modern computers happens when the operating system is unable to create any more virtual memory, because all of its potential backing devices have been filled or the end user has disabled them. The condition may arise because of copy on write after fork .

Ограничения памяти на процесс

Помимо ограничений физической памяти всей системы, некоторые системы ограничивают объем памяти, который может использовать каждый процесс. Как правило, это вопрос политики, но такое ограничение может возникнуть и в случае, когда операционная система имеет большее адресное пространство, чем доступно на уровне процесса. Некоторые высокопроизводительные 32-битные системы (например, с включенным расширением физических адресов) оснащаются 8 гигабайтами системной памяти или более, хотя любой отдельный процесс может получить доступ только к 4 ГБ в 32-битной плоской модели памяти. Процесс, превысивший установленный для него лимит памяти и затем попытавшийся выделить дополнительную память, столкнется с ошибкой. Например, стандартная функция C для выделения памяти, `malloc`, вернет `NULL`, и корректно работающее приложение должно обработать эту ситуацию.