码农翻身之大话编程篇：10 CPU阿甘之烦恼
1 批处理系统
CPU阿甘最近很烦。 原因很简单，内存和硬盘看他不顺眼。
阿甘心里很清楚，是自己干活太快了，干完了活就歇着喝茶，这时候内存和硬盘还在辛辛苦苦的忙活，他们肯定觉得很不爽了。中国有句古话叫什么来着？ “木秀于林，风必摧之”，“不患贫而患不均”，这就是阿甘的处境。虽然阿甘自己也于心不忍，可是有什么办法？谁让他们那么慢！一个比自己慢100倍，另外一个比自己慢100万倍！这个世界的造物主为什么不把我们的速度弄的一样呢？
阿甘所在的是一个批处理的计算机系统，操作系统老大收集了一批任务以后，就会把这一批任务的程序逐个装载的内存中，让CPU去运行，大部分时候这些程序都是单纯的科学计算，计算弹道轨迹什么的，但有时候也会有IO相关的操作，这时候，内存和硬盘都在疯狂的加班Load数据，可是阿甘只能等待数据到来，只能坐那儿喝茶了。
没多久，内存向操作系统老大告了阿甘一状，阿甘被老大叫去训话了：“阿甘，你就不能多干一点？ 老是歇着喝茶算是怎么回事？”
阿甘委屈的说：“老大，这不能怪我啊，你看你每次只把一个程序搬到内存那里让我运行，正常情况下，我可以跑的飞快，可以是一旦遇到IO相关的指令，势必要去硬盘那里找数据，硬盘实在是太慢了，我不得不等待啊”
操作系统说：“卧槽，听你的口气还是我的问题啊， 一个程序遇到了IO指令，你不能把它挂起，存到到硬盘里，然后再找另外一个运行吗？”
阿甘笑了：“老大我看你是气昏头了，我要是把正在运行的程序存到硬盘里，暂时挂起，然后再从硬盘装载另外一个，这可都是IO操作啊，岂不更慢？”
“这？！” 操作系统语塞了，沉默了半天说：“这样吧，我以后在内存里多给你装载几个程序，一个程序被IO阻塞住了， 你就去运行另外一个如何？”
“这得问问内存，看他愿不愿意了，我把内存叫来，我们一起商量商量” 阿甘觉得这个主意不错。
内存心思缜密，听了这个想法，心想：自己也没什么损失啊，原来同一时间在内存里只有一个程序，现在要装载多个，对我都一样。
可是往深处一想，如果有多个程序，内存的分配可不是个简单的事情，比如说下面这个例子：
(1) 内存一共90k, 一开始有三个程序运行，占据了80k的空间，剩余10k
(2) 然后第二个程序运行完了，空闲出来20k , 现在总空闲是30K,但这两块空闲内存是不连续的。
(3) 第4个程序需要25k, 没办法只好把第三个程序往下移动，腾出空间让第四个程序来使用了。
内存把自己的想法给操作系统老大说了说。 老大说：阿甘，你要向内存学习啊，看看他思考的多么深入，不过这个问题我有解决办法，需要涉及到几个内存的分配算法，你们不用管了。咱们就这么确定下来，先跑两个程序试试。
2 地址重定位
第二天一大早，试验正式开始，老大同时装载了两个程序到内存中：
第一个程序被装载到了内存的开始处，也就是地址０，运行了一会，遇到了一个IO指令，在等待数据的时候，老大立刻让CPU开始运行第二个程序，这个程序被装载到了地址10000处，刚开始运行的好好的，突然就来了这么一条指令：
MOV AX [1000] ( AX是一个寄存器，你可以理解成在CPU内部的一个高速的存储单位，这个指令的含义是把AX寄存器的值写到内存地址1000处)
阿甘觉得似曾相识，隐隐约约的记得第一个程序中也这么一条类似的指令：
MOV BX [1000]
“老大，坏了，这两个程序操作了同一个地址！数据会被覆盖掉！” 阿甘赶紧向操作系统汇报。
操作系统一看就明白了，原来这个系统的程序引用的都是物理的内存地址，在批处理系统中，所有的程序都是从地址0开始装载，现在是多道程序在内存中，第二个程序被装载到了10000这个地址，但是程序没有变化啊，还是假定从0开始，自然就出错了。
“看来老大在装载的时候得修改一下第二个程序的指令了，把每个地址都加上10000（即第二个程序的开始处），原来的指令就会变成 MOV AX [11000] ” 内存确实反应很快。（直接修改程序的指令，这叫静态重定位）
阿甘说：“ 如果用这种办法，那做内存紧缩的时候可就麻烦了，因为老大要到处移动程序啊，对每个移动的程序岂不还都得做重定位？这多累啊！”
操作系统老大陷入了沉思，阿甘说的没错，这个静态重定位是很不方便，看来想在内存中运行多道程序不是想象的那么容易。但是能不能改变下思路，在运行时把地址重定位呢？
首先得记录下每个程序的起始地址，可以让阿甘再增加一个寄存器，专门用来保存初始地址。
例如对第一个程序，这个地址是0 ， 对第二个程序，这个地址是10000， 运行第一个程序的时候，把寄存器的值置为0 ，当切换到第二个程序的时候，寄存器的值也应该切换成10000。 只要遇到了地址有关的指令，都需要把地址加上寄存器的值，这样才得到真正的内存地址，然后去访问。（这叫地址的动态重定位）
操作系统赶紧让阿甘去加一个新的寄存器，重新装载两个程序，记录下他们的开始地址，然后切换程序，这次成功了，不在有数据覆盖的问题了。
只是阿甘有些不高兴：“老大，这一下子我这里的活可多了不少啊，你看每次访问内存，我都得额外的做一次加法运算啊。”
老大说：“没办法，能者多劳嘛，你看看我，我既需要考虑内存分配算法，还得做内存紧缩，还得记住每个程序的开始地址，切换程序的时候，才能刷新你的寄存器，我比你麻烦多了！”
内存突然说到：”老大，我想到一个问题，假设有个不怀好意的恶意程序，它去访问别人的空间怎么办？ 比如说地址2000至3000属于一个程序，但是这个程序来了一条这样的指令MOV AX [1500], 我们在运行时会翻译成MOV AX [3500] , 这个3500有可能是别的程序的空间啊“
“唉，那就只好再加个寄存器了，阿甘，用这个新寄存器来记录程序在内存中的长度吧，这样每次访问的时候拿那个地址和这个长度比较一下，我们就知道是不是越界了” 老大无可奈何了。
“好吧” 阿甘答应了，“ 我可以把这连个寄存器，以及计算内存地址的方法，封装成一个新的模块，就叫MMU （内存管理单元）吧，不过这个东西听起来好像应该内存来管啊”
内存笑着说：“那是不行的，阿甘，能够高速访问的寄存器只有你这里才有啊，我就是一个比你慢100倍的存储器而已！”。
3分块装入程序
多道程序最近在内存中运行的挺好，阿甘没法闲下来喝茶了，经常是一个还没运行完，很快就切换到另外一个。那些程序也都是好事之徒，听说了这个新的系统，都拼了命，挤破头的往内存中钻。内存很小，很快就会挤满，操作系统老大忙于调度，也是忙的不可开交。
更有甚者，程序开始越长越大，有些图形处理的程序，还有些什么叫Java的程序，动不动就要几百M内存，就这还嚷嚷着说不够。 操作系统头都大了，把CPU和内存叫来商量。
“世风日下，人心不古啊” 内存一边叹气一遍说“原来批处理的时候那些程序规规矩矩的，现在是怎么了？”
“这也不能怪那些程序，现在硬件的确比原来好多了，内存，你原来只有几十K, 现在都好几G了，CPU在摩尔定律的关照下，发展的更快，每隔18个月，你的速度就翻一翻” 操作系统老大说。
“那也赶不上这些程序的发展速度，他们对我要求越来越高，可是把我累坏了” CPU垂头丧气的。
“我们还是考虑下怎么让有限的内存装下更多的程序吧”
“我有一个提议” 阿甘说“对每个程序，不要全部装入内存，要分块装载，例如先把最重要的代码指令装载进来，在运行中按需装载别的东西。”
内存嘲笑说：“阿甘，看来你又想偷懒喝茶了，哈哈，如果每个程序都这样，IO操作得多频繁，我和硬盘累死，你就整天歇着吧”
阿甘脸红了，沉默了。
“慢着”老大说“阿甘，你之前不是发现过什么原理嘛，就是从几千亿条指令中总结出的那个，叫什么来着？”
“奥，那是局部性原理，有两个：
(1) 时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行； 如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。
(2) 空间局部性：指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后。其附近的存储单元也将被访问。“
“这个局部性原理应该能拯救我们，阿甘，我们完全可以把一个程序分成一个个小块，然后按块来装载到内存中，由于局部性原理的存在，程序会倾向于在这一块或几块上执行，性能上应该不会有太大的损失。”
“这能行吗？” 内存和阿甘不约而同的问。“试一试就知道了，这样我们把这一个个小块叫做页框（page frame），每个暂定4k大小，装载程序的时候也按照页框大小来”
实验了几天，果然不出老大所料，那些程序在大部分时间真的只运行在几个页框中，于是老大把这些页称为工作集(working set)
4虚拟内存：分页
“既然一个程序可以用分块的技术逐步调入内存，而不太影响性能，那就意味着，一个程序可以比实际的内存大的多啊”。阿甘躺在床上，突然间想到这一层，心头突突直跳，这绝对是一个超级想法。
“我们可以给每个程序都提供一个超级大的空间，例如4G，只不过这个空间是虚拟的，程序中的指令使用的就是这些虚拟的地址，然后我的MMU把它们映射到真实的物理的内存地址上，那些程序们浑然不觉，哈哈，实在是太棒了”
内存听说了这个想法，惊讶的瞪大了双眼：“阿甘，你疯了吧”
“阿甘的想法是有道理的” 老大说“只是我们还要坚持一点，那就是分块装入程序，我们把虚拟的地址也得分块，就叫做页（page）, 大小和物理内存的页框一样，这样好映射。”
“老大，看来你又要麻烦了，你得维持一个页表，用来映射虚拟页面和物理页面”
“不仅如此，我还得记录一个程序哪些页已经被装载到了物理内存，哪些没有被装载，如果程序访问了这些没被装载的页面，我还得从内存中找到一块空闲的地方，如果内存已满，只好把现有的页框置换一个到硬盘上了，可是，怎么确定那个物理内存的页框可以置换呢？唉，又涉及到很多复杂的算法，需要大费一番周折。你看看，老大不是这么容易当的。”
（这就是分页的工作原理，需要注意的是虚拟地址的#4页，在物理内存中不存在，如果程序访问第4页，就会产生缺页的中断，由操作系统去硬盘调取）
内存想起来一个问题： “如果程序运行时，每次都得查页表来获得物理的内存页，而页表也是在内存里，而我比你慢100倍，你受得了吗，阿甘？”
阿甘笑了：“这个问题其实我也考虑了，所以我打算增强我的内存管理单元，把那些最常访问的页表项放到缓存里，这样不就快了吗。 ”
内存想想也是，还是局部性原理，太牛了。
5分段+分页
分页系统运行了一段时间以后，又有程序表示不爽了，这些程序嚷嚷着说：
“你们能不能把程序“分家”啊，例如代码段，数据段，堆栈段，这多么自然，并且有利于保护，要是程序试图去写这个只读的代码段，立刻就可以抛出保护异常！”
还有程序说：“页面太小了，实在不利于共享，我和哥们共享的那个图形库，高达几十M , 得分成好多页来共享，太麻烦了，你们要是做一个共享段该多好！”......这样的聒噪声多了，大家都不胜其烦，那就“分家”吧。
当然对每个程序都需要标准化，一个程序被分成代码段，数据段和堆栈段等，操作系统老大记录下每个段的开始和结束地址，每个段的保护位。
但是在每个段的内部，仍然按分页的系统来处理，除了页表之外，操作系统老大又*维护了一个段表这样的东西。
一个虚拟的内存地址来了以后，首先根据地址中的段号先找到相应的段描述表，其中有页表的地址，然后再从页表中找到物理内存，过程类似这样：
所有事情都设置好了，大家都喘了口气，觉得这样的结构大家应该没什么异议了。
老大心情大好，觉得一切尽在掌握，他笑着对CPU阿甘说：
“阿甘，从今天开始，如果有程序想非法的访问内存，例如一个不属于他的段，我就立刻给他一个警告：Segmentation Fault !”阿甘说：“那程序收到Segmentation Fault以后怎么处理？”
老大说：“通常情况下就被我杀死，然后给他产生一个叫core dump的尸体，让那些码农们拿走分析去吧!”