CPU阿甘之煩惱

真正的知識是深刻淺出的，碼農翻身」 公共號將苦澀難懂的計算機知識，用形象有趣的生活中實例呈現給咱們，讓咱們更好地理解。

本文源地址：CPU阿甘之煩惱

一、批處理系統

「最近比較煩，比較煩，比較煩...」，CPU阿甘在唱着。由於內存和硬盤一直看他不順眼，致使阿甘特別煩惱。

阿甘內心很清楚，是本身幹活太快了，幹完了活就歇着喝茶，這時候內存和硬盤還在辛辛苦苦的忙活，他們確定以爲很不爽了。「木秀於林，風必摧之」、「不患貧而患不均」，這就是阿甘的處境。雖然阿甘本身也於心不忍，但是有什麼辦法？誰讓他們那麼慢！一個比本身慢100倍，另一個比本身慢100萬倍！

這個世界的造物主爲何不把咱們的速度弄的同樣呢？

阿甘所在的是一個批處理的計算機系統，操做系統老大收集了一批任務之後，就會把這一批任務的程序逐個裝載的內存中，讓CPU去運行，大部分時候這些程序都是單純的科學計算，計算彈道軌跡什麼的。但有時候也會有IO相關的操做，這時候，內存和硬盤都在瘋狂的加班Load數據，（因爲運行速度差異實在是天壤之別）阿甘只能等待數據到來，只能坐那兒喝茶了。 

沒多久，內存向操做系統老大告了阿甘一狀，阿甘被老大叫去訓話了！「阿甘，你就不能多幹一點？總是歇着喝茶算是怎麼回事？」

阿甘委屈的說：「老大，這不能怪我啊！你看你每次只把一個程序搬到內存那裏讓我運行，正常狀況下，我能夠跑的飛快，能夠是一旦遇到IO相關的指令，勢必要去硬盤那裏找數據，硬盤實在是太慢了，我不得不等待啊！」

操做系統說！「臥槽，聽你的口氣仍是個人問題啊，一個程序遇到了IO指令，你不能把它掛起，存到到硬盤裏，而後再找另一個運行嗎？」

阿甘笑了：「老大我看你是氣昏頭了，我要是把正在運行的程序存到硬盤裏，暫時掛起，而後再從硬盤裝載另一個，這可都是IO操做啊，豈不更慢？」

 「這！」 操做系統語塞了，沉默了半天說：「這樣吧，我之後在內存裏多給你裝載幾個程序，一個程序被IO阻塞住了，你就去運行另一個。如何？」

「這得問問內存，看他願不肯意了，我把內存叫來，咱們一塊兒商量商量」 。阿甘以爲這個主意不錯。

內存心思縝密，聽了這個想法，心想：本身也沒什麼損失啊，原來同一時間在內存裏只有一個程序，如今要裝載多個，對我都同樣。

但是往深處一想，若是有多個程序，內存的分配可不是個簡單的事情，好比說下面這個例子：

圖1 ：內存緊縮

• (1) 內存一共90k，一開始有三個程序運行，佔據了80k的空間，剩餘10k；
• (2) 而後第二個程序運行完了，空閒出來20k，如今總空閒是30K， 但這兩塊空閒內存是不連續的；
•  (3) 第4個程序須要25k，沒辦法只好把第三個程序往下移動，騰出空間讓第四個程序來使用了。

內存把本身的想法給操做系統老大說了說。

 老大說：「阿甘，你要向內存學習啊！看看他思考的多麼深刻，不過這個問題我有解決辦法，須要涉及到幾個內存的分配算法，大家不用管了。我們就這麼肯定下來，先跑兩個程序試試。」  

二、地址重定位

次日一大早，試驗就正式開始，老大同時裝載了兩個程序到內存中：

圖2：內存裝入2個程序

第一個程序被裝在到了內存的開始處，也就是地址0，運行了一會，就遇到一個IO指令。在等待數據的時候，老大讓我運行第二個程序，這個程序就被裝在到了地址10000處，剛開始運行得挺好，忽然就來個一條指令：

MOV AX [1000]

AX是一個寄存器，能夠理解成CPU內部的一個高速存儲單位，該指令含義是將AX寄存器中的值寫到內存1000處。

此時，阿甘隱約記得第一個程序中也有一條相似的指令：

MOV BX [1000]

「老大，壞了！這兩個程序操做了同一個地址，數據會被覆蓋掉！」 阿甘趕忙向操做系統彙報。 

操做系統一看就明白了，原來這個系統的程序引用的都是物理的內存地址。在批處理系統中，全部的程序都是從地址0開始裝在，如今是多道程序在內存中，第二個程序被裝在到了地址10000處。可是程序沒有變化，仍是假定從0開始，天然就出錯了。

「看來老大在裝載的時候得修改一下第二個程序的指令了，把每一個地址都加上10000（即第二個程序的開始處），原來的指令就會變成 MOV AX [11000]。 」 內存確實反應很快。---靜態重定位

阿甘說：「 若是用這種辦法，那作內存緊縮的時候可就麻煩了。由於老大要處處移動程序啊。對每一個移動的程序豈不還都得作重定位，這多累啊！」
操做系統老大陷入了沉思，阿甘說的沒錯。這個靜態重定位是很不方便，看來想在內存中運行多道程序不是想象的那麼容易。
可是能不能改變下思路，在運行時把地址重定位呢？

首先得記錄下每一個程序的起始地址，可讓阿甘再增長一個寄存器，專門保護初始地址。例如第一個程序地址爲0，第二個程序的地址是10000。運行第一個程序的時候，將寄存器的值置爲0，當切換到第二個程序的時候，寄存器的值應置爲10000。 只要遇到了地址相關的指令，都須要把地址加上寄存器的值，這樣才能夠獲得真正的內存地址，而後再去訪問。---動態重定位

操做系統趕忙讓阿甘去加一個新的寄存器，從新裝載兩個程序，記錄下他們的開始地址，而後切換程序，此次成功了，不在有數據覆蓋的問題了。 
只是阿甘有些不高興：「老大，這一會兒我這裏的活可多了很多啊！你看每次訪問內存，我都得額外的作一次加法運算啊。」
老大說：「沒辦法，能者多勞嘛！你看看我，我既須要考慮內存分配算法，還得作內存緊縮，還得記住每一個程序的開始地址，切換程序的時候，才能刷新你的寄存器，我比你麻煩多了！」

內存忽然說道：「老大，我想到一個問題。假設有一個惡意程序，它去訪問別的程序空間怎麼辦？好比地址2000至3000屬於一個程序的空間，可是這個程序忽然帶來了一條指令（MOV AX [1500]），咱們在運行時會翻譯成"MOV AX [3500]"，這個3500有多是別的程序的空間啊！」

 「唉，那就只好再加個寄存器了。阿甘，用這個新寄存器來記錄程序在內存中的長度吧。這樣每次訪問的時候拿那個地址和這個長度比較一下，咱們就知道是否是越界了。」 ，老大迫不得已了。 

「好吧」 ，阿甘答應了，「 我能夠把這連個寄存器，以及計算內存地址的方法，封裝成一個新的模塊，就叫MMU（內存管理單元）吧。不過這個東西聽起來好像應該內存來管啊。」
內存笑着說：「那是不行的。阿甘，可以高速訪問的寄存器只有你這裏纔有啊。我就是一個比你慢100倍的存儲器而已！」。

三、分塊裝入程序

多道程序最近在內存中運行得挺好，阿甘沒辦法閒下來喝茶了，常常是一個尚未運行完，很快就切換到另外一個。

那些程序也都是好事之徒，據說了這個新的系統，都拼了命，擠破頭的往內存中鑽。
內存很小，很快就會擠滿，操做系統老大忙於調度，也是忙的不可開交。 
更有甚者，程序開始越長越大，有些圖形處理的程序，還有些什麼叫Java的程序，動不動就要幾百M內存，就這還嚷嚷着說不夠。 
操做系統頭都大了，把CPU和內存叫來商量。 
「世風日下，人心不古啊！」 內存一邊嘆氣一遍說：「原來批處理的時候那些程序規規矩矩的，如今是怎麼了？」
「這也不能怪那些程序，如今硬件的確比原來好多了。內存，你原來只有幾十K，如今都好幾G了。CPU在摩爾定律的關照下，發展的更快，每隔18個月，你的速度就翻一番。」  操做系統老大說。
「那也趕不上這些程序的發展速度，他們對我要求愈來愈高，但是把我累壞了。」 阿甘垂頭喪氣的。 

「咱們仍是考慮下怎麼讓有限的內存裝下更多的程序吧！」 內存說道。

「我有一個提議，對每一個程序不要所有裝入內存，要分塊裝載。例如先把最重要的代碼指令裝進來，在運行中按須要裝載別的指令。」阿甘提議道。

內存嘲笑說：「阿甘，你又想偷懶喝茶了。哈哈，若是每一個程序都這樣，IO操做得多頻繁。我和硬盤都得累死。」

阿甘臉紅了，沉默了。 
「慢着」，老大說：「阿甘，你以前不是發現過什麼原理嘛！就是從幾千億條指令中總結出的那個，叫什麼來着？」
「奧，那是局部性原理，有兩個：

1）時間局部性：若是程序中的某條指令一旦執行，則不久以後該指令可能再次被執行；若是某數據被訪問，則不久以後該數據可能被再次訪問。

2）空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，則不久以後，其附近的存儲單元也將被訪問。」

「這個局部性原理應該能拯救咱們。阿甘，咱們徹底能夠把一個程序分紅一個個小塊，而後按塊來裝載到內存中，因爲局部性原理的存在，程序會傾向於在這一塊或幾塊上執行，性能上應該不會有太大的損失。」
「這能行嗎？」， 內存和阿甘不約而同的問。
「試一試就知道了，這樣咱們把這一個個小塊叫作頁框（page frame），每一個暫定4k大小，裝載程序的時候也按照頁框大小來。」
實驗了幾天，果真不出老大所料，那些程序在大部分時間真的只運行在幾個頁框中，因而老大把這些頁稱爲工做集(working set)。

四、虛擬內存：分頁

「既然一個程序能夠用分塊的技術逐步調入內存，而不太影響性能，那就意味着，一個程序能夠比實際的內存大的多啊！」
阿甘躺在牀上，忽然間想到這一層，心頭突突直跳，這絕對是一個超級想法。 
「咱們能夠給每一個程序都提供一個超級大的空間。例如4G，只不過這個空間是虛擬的，程序中的指令使用的就是這些虛擬的地址，而後個人MMU把它們映射到真實的物理的內存地址上，那些程序們渾然不覺，哈哈，實在是太棒了。」

內存據說了這個想法，驚訝的瞪大了雙眼：「阿甘，你瘋了吧？」
「阿甘的想法是有道理的」，老大說：「只是咱們還要堅持一點，那就是分塊裝入程序，咱們把虛擬的地址也得分塊，就叫作頁（page），大小和物理內存的頁框同樣，這樣好映射。」
「老大，看來你又要麻煩了，你得維持一個頁表，用來映射虛擬頁面和物理頁面。」
「不只如此，我還得記錄一個程序那些頁已經被裝載到了物理內存，那些沒有被裝載，若是程序訪問了這些沒被裝載的頁面，我還得從內存中找到一塊空閒的地方。若是內存已滿，只好把現有的頁框置換一個到硬盤上了。但是，怎麼肯定那個物理內存的頁框能夠置換呢？ 唉，又涉及到不少複雜的算法，須要大費一番周折。你看看，老大不是這麼容易當的。」

圖3： 分頁

分頁的工做原理，須要注意的是虛擬地址的#4頁， 在物理內存中不存在，若是程序訪問第4頁，就會產生缺頁的中斷，由操做系統去硬盤調取。

內存想起來一個問題：「若是程序運行時，每次都得查頁表來得到物理的內存頁，而頁表也是在內存裏，而我比你慢100倍，你受得了嗎。阿甘？」
阿甘笑了：「這個問題其實我也考慮了，因此我打算加強個人內存管理單元，把那些最常訪問的頁表項放到緩存裏。這樣不就快了嗎。」
內存想一想也是，仍是局部性原理，太牛了。

五、分段+分頁

分頁系統運行了一段時間之後，又有程序表示不爽了，這些程序嚷嚷着說：
「大家能不能把程序‘分家’啊。例如代碼段、數據段、堆棧段，這多麼天然，而且有利於保護，要是程序試圖去寫這個只讀的代碼段，馬上就能夠拋出保護異常！」
還有程序說：「頁面過小了，實在不利於共享，我和哥們共享的那個圖形庫，高達幾十M，得分紅好多頁來共享，太麻煩了。大家要是作一個共享段該多好！」......這樣的聒噪聲多了，你們都不勝其煩，那就「分家」吧。 
固然對每一個程序都須要標準化，一個程序被分紅代碼段，數據段和堆棧段等。操做系統老大記錄下每一個段的開始和結束地址，每一個段的保護位。 

圖4：Linux的虛擬內存示意圖

可是在每一個段的內部，仍然按分頁的系統來處理，除了頁表以外，操做系統老大又被迫維護了一個段表這樣的東西。
一個虛擬的內存地址來了之後，首先根據地址中的段號先找到相應的段描述表，其中有頁表的地址，而後再從頁表中找到物理內存，過程相似這樣：

圖5：一個簡化的段表和頁表

全部事情都設置好了，你們都喘了口氣，以爲這樣的結構你們應該沒什麼異議了。 
老大心情大好，以爲一切盡在掌握，他笑着對CPU阿甘說： 
「阿甘，從今天開始，若是有程序想非法的訪問內存，例如一個不屬於他的段，我就馬上給他一個警告：Segmentation Fault !」
阿甘說：「那程序收到Segmentation Fault之後怎麼處理？」
老大說：「一般狀況下就被我殺死，而後給他產生一個叫core dump的屍體，讓那些碼農們拿走分析去吧！」

（完）

 

「碼農翻身」 公共號 : 由工做15年的前IBM架構師建立，分享編程和職場的經驗教訓。

長按二維碼， 關注碼農翻身