ضغط الذاكرة الافتراضية

تُعدّ إمكانية ضغط محتويات الذاكرة الفعلية تحت ضغط الاستخدام الفعلي إحدى المشكلات الرئيسية. فغالبًا ما يكون كود البرنامج ومعظم البيانات المخزنة في الذاكرة الفعلية غير قابلة للضغط بدرجة كبيرة، نظرًا لأن تقنيات البرمجة الفعّالة وهياكل البيانات مصممة لإزالة التكرار في مجموعات البيانات تلقائيًا. تُظهر دراسات مختلفة نسب ضغط بيانات نموذجية تتراوح بين 2:1 و2.5:1 لبيانات البرنامج، ^{[ 7 ] [ 11 ]} وهي نسب مشابهة لنسب الضغط التي يمكن تحقيقها عادةً باستخدام ضغط القرص . ^{[ 10 ]}

لكي يُحقق ضغط الذاكرة الافتراضية تحسينات ملموسة في الأداء، يجب تحسين إنتاجية نظام الذاكرة الافتراضية مقارنةً بنظيره غير المضغوط. وبالتالي، يجب ألا تؤدي المعالجة الإضافية الناتجة عن الضغط إلى زيادة زمن الاستجابة الإجمالي. مع ذلك، في الأنظمة ذات عمليات الإدخال/الإخراج المكثفة أو التطبيقات التي تحتوي على مجموعات بيانات قابلة للضغط بدرجة عالية، يمكن أن تكون المكاسب كبيرة. ^{[ 10 ]}

يؤدي استخدام نظام الضغط للذاكرة الفعلية إلى تقليل مقدار الذاكرة الفعلية المتاحة للعمليات التي يُشغلها النظام، مما قد ينتج عنه زيادة في نشاط الترحيل وانخفاض في الفعالية الإجمالية لضغط الذاكرة الافتراضية. وتكون هذه العلاقة بين نشاط الترحيل والذاكرة الفعلية المتاحة أسية تقريبًا، أي أن تقليل مقدار الذاكرة الفعلية المتاحة لعمليات النظام يؤدي إلى زيادة أسية في نشاط الترحيل. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

في الحالات التي يكون فيها مقدار الذاكرة الفعلية المتاحة منخفضًا، وتكثر فيها عمليات الترحيل، قد تُقابل أي تحسينات في الأداء يوفرها نظام الضغط (مقارنةً بالترحيل المباشر من وإلى وحدة التخزين الإضافية) بزيادة في معدل أخطاء الصفحات ، مما يؤدي إلى تذبذب كبير في الأداء وتدهور في أداء النظام. في المقابل، عندما تتوفر ذاكرة فعلية كافية، ويكون نشاط الترحيل منخفضًا، قد لا يؤثر الضغط على الأداء بشكل ملحوظ. أما في الحالة المتوسطة بين هاتين الحالتين - ذاكرة وصول عشوائي منخفضة -فقد يكون ضغط الذاكرة الافتراضية أكثر فائدة. مع ذلك، كلما زادت قابلية بيانات البرنامج للضغط، كلما كانت تحسينات الأداء أكثر وضوحًا، نظرًا لانخفاض الحاجة إلى الذاكرة الفعلية لتخزين البيانات المضغوطة.

على سبيل المثال، ولتحقيق أقصى استفادة من ذاكرة التخزين المؤقت للصفحات المضغوطة، يوفر برنامج Hurricane 2.0 من شركة Helix Software  عتبة رفض ضغط قابلة للتخصيص من قِبل المستخدم. يقوم  نظام ضغط الذاكرة الافتراضية هذا بضغط أول 256 إلى 512 بايت من صفحة بحجم 4 كيلوبايت، ويحدد ما إذا كان من الممكن الوصول إلى عتبة مستوى الضغط المُحددة لصفحة معينة؛ فإذا كان ذلك ممكنًا، يتم ضغط باقي الصفحة والاحتفاظ بها في ذاكرة تخزين مؤقت مضغوطة، وإلا تُرسل الصفحة إلى وحدة تخزين إضافية عبر نظام الترحيل العادي. الإعداد الافتراضي لهذه العتبة هو نسبة ضغط 8:1. ^{[ 14 ] [ 4 ]}

في تطبيقات الأجهزة، تعتمد هذه التقنية أيضًا على فروقات الأسعار بين مكونات النظام المختلفة، على سبيل المثال، الفرق بين تكلفة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وتكلفة معالج مخصص للضغط. وتميل الفروقات النسبية بين سعر وأداء المكونات المختلفة إلى التغير بمرور الوقت. فعلى سبيل المثال، قد يكون لإضافة معالج مساعد للضغط تأثير ضئيل على تكلفة وحدة المعالجة المركزية (CPU).

في تطبيق نموذجي للذاكرة الافتراضية، تتم عملية الترحيل على أساس الأقل استخدامًا مؤخرًا ، مما قد يؤدي إلى استهلاك خوارزمية الضغط لدورات المعالج في التعامل مع البيانات ذات الأولوية الأدنى. علاوة على ذلك، عادةً ما يكون كود البرنامج للقراءة فقط، وبالتالي لا يتم ترحيله إلى الذاكرة الافتراضية. بدلًا من ذلك، يتم ببساطة تجاهل الكود، وإعادة تحميله من ملف التخزين الإضافي للبرنامج عند الحاجة. في هذه الحالة، يكون معيار الضغط أعلى، نظرًا لأن دورة الإدخال/الإخراج التي يحاول الضغط التخلص منها أقصر بكثير، خاصةً على أجهزة ذاكرة الفلاش.

تم تزويد محطة العمل R140، التي أصدرتها شركة Acorn Computers عام 1989، بنظام التشغيل RISC iX ، وهو نسخة من نظام يونكس. ^{[ 15 ]} وقد دعم RISC iX خاصية الترحيل عند الطلب للملفات التنفيذية المضغوطة. مع ذلك، كان الدافع الرئيسي لتوفير هذه الملفات هو استيعاب نظام يونكس كامل على قرص صلب ذي سعة متوسطة نسبيًا. ولم يتم ترحيل البيانات المضغوطة إلى القرص في هذا النظام. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

اقترح بول ر. ويلسون التخزين المؤقت المضغوط لصفحات الذاكرة الافتراضية في عام 1990، في ورقة تم تعميمها في ورشة عمل ACM OOPSLA/ECOOP '90 حول جمع البيانات المهملة ("بعض القضايا والاستراتيجيات في إدارة الكومة والتسلسلات الهرمية للذاكرة")، ونُشرت في ACM SIGPLAN Notices في يناير 1991. ^{[ 18 ]}

كانت شركة Helix Software رائدة في مجال ضغط الذاكرة الافتراضية عام 1992، حيث قدمت طلب براءة اختراع لهذه العملية في أكتوبر من ذلك العام. ^{[ 2 ]} وفي عامي 1994 و1995، طورت Helix هذه العملية باستخدام ضغط الاختبار وذاكرة التخزين المؤقت الثانوية على بطاقات الفيديو وغيرها من الأجهزة. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، لم تُصدر Helix منتجًا يتضمن ضغط الذاكرة الافتراضية حتى يوليو 1996 مع إصدار Hurricane  2.0، الذي استخدم خوارزمية ضغط Lempel–Ziv–Stac من Stac Electronics ، كما استخدم ذاكرة الفيديو خارج الشاشة كمخزن مؤقت للضغط لتحسين الأداء. ^{[ 14 ]}

في عام 1995، بلغ سعر ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) حوالي 50 دولارًا أمريكيًا للميغابايت الواحد ، وحدد نظام التشغيل ويندوز 95 من مايكروسوفت حدًا أدنى لمتطلبات الذاكرة يبلغ 4 ميغابايت. ^{[ 19 ]} ونظرًا لمتطلبات الذاكرة العالية، تم إصدار العديد من البرامج التي ادعت استخدام تقنية الضغط لزيادة "المساحة". وكان برنامج SoftRAM من شركة Syncronys Softcorp أشهرها . وقد تم كشف زيف SoftRAM لأنه لم يقم بأي عملية ضغط على الإطلاق. ^{[ 20 ] [ 10 ]} كما تضمنت منتجات أخرى، مثل Hurricane و MagnaRAM ، ضغط الذاكرة الافتراضية، لكنها اعتمدت فقط على ترميز طول التشغيل ، بنتائج ضعيفة، مما أكسب هذه التقنية سمعة سيئة. ^{[ 21 ]} 

نشرت مجلة PC Magazine في عددها الصادر بتاريخ 8 أبريل 1997 اختبارًا شاملًا لمزاعم تحسين الأداء لعدد من أدوات ضغط الذاكرة الافتراضية البرمجية. ووجدت المجلة في اختبارها تحسنًا طفيفًا (5% إجمالًا) في الأداء باستخدام برنامج Hurricane، بينما لم تجد أي تحسن يُذكر مع أي من البرامج الأخرى. ^{[ 21 ]} مع ذلك، أُجريت الاختبارات على أنظمة Intel Pentium أحادية النواة أحادية المسار، وبالتالي أثر الضغط بشكل مباشر على جميع أنشطة النظام.

في عام 1996، بدأت شركة IBM تجاربها على تقنية الضغط، وفي عام 2000 أعلنت عن تقنية توسيع الذاكرة (MXT). ^{[ 22 ] [ 23 ]} كانت MXT عبارة عن شريحة مستقلة تعمل كذاكرة تخزين مؤقتة لوحدة المعالجة المركزية (CPU ) بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة تحكم الذاكرة. احتوت MXT على محرك ضغط مدمج يقوم بضغط جميع البيانات المتجهة من وإلى الذاكرة الفعلية. أظهرت الاختبارات اللاحقة التي أجرتها شركة Intel على هذه التقنية تحسنًا في أداء النظام بنسبة تتراوح بين 5 و 20%، وهي نتائج مماثلة لتلك التي حصلت عليها مجلة PC Magazine مع معالج Hurricane. ^{[ 24 ]}

• في أوائل عام 2008، تم إصدار مشروع لينكس يُدعى zram (كان يُسمى في الأصل compcache)؛ وفي تحديث عام 2013، تم دمجه في نظام التشغيل ChromeOS ^{[ 25 ]} ونظام Android 4.4
• في عام 2010، أصدرت شركة IBM برنامج Active Memory Expansion (AME) لنظام التشغيل AIX 6.1 والذي يقوم بتنفيذ ضغط الذاكرة الافتراضية. ^{[ 26 ]}
• في عام 2012، تضمنت بعض إصدارات شريحة POWER7 + مُسرّعات أجهزة AME التي تستخدم خوارزمية الضغط 842 لدعم ضغط البيانات، المستخدمة في نظام AIX، لضغط الذاكرة الافتراضية. ^{[ 27 ]} ولا تزال معالجات POWER الأحدث تدعم هذه الميزة.
• في ديسمبر 2012، تم الإعلان عن مشروع zswap ؛ وتم دمجه في نواة لينكس الرئيسية في سبتمبر 2013.
• في يونيو 2013، أعلنت شركة آبل أنها ستُضمّن ضغط الذاكرة الافتراضية في نظام التشغيل OS X Mavericks ، باستخدام خوارزمية ويلسون-كابلان WKdm. ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• أضاف تحديث " Windows Insider Preview" لنظام التشغيل Windows 10 (الإصدار 10525) بتاريخ 10 أغسطس 2015 دعمًا لضغط ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). ^{[ 30 ]}