一個故事看懂 CPU 內(nèi)存管理技術(shù)
來自：掘金，作者：Ruheng
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還記得我嗎，我是阿Q，CPU一號車間的那個阿Q。
今天忙里偷閑，來到廠里地址翻譯部門轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)這項工作的小黑正忙得滿頭大汗。
看到我的到來，小黑指著旁邊的座椅示意讓我坐下。
坐了好一會兒，小黑才從工位上忙完轉(zhuǎn)過身來，“實在不好意思阿Q，今天活太多，沒來得及招待你”
“剛忙什么呢，看你滿頭大汗的”，我問道。
“嗨，別提了，老是發(fā)現(xiàn)內(nèi)存頁面錯誤，不停地要通知操作系統(tǒng)那邊去處理，真是懷念以前啊，沒有這么多破事兒要管”，小黑嘆了口氣。
我一聽來了興趣，“小黑你給我說說你們的工作唄，地址翻譯是怎么一回事兒，為什么懷念以前呢？”
小黑調(diào)整了下坐姿，咕嚕咕嚕喝了幾口水說道，“這話說來可就話長了”
接下來小黑開始給我講起了歷史故事······
8086
原來咱們的祖先叫8086，小黑還給我看了他的照片
那是一個純真質(zhì)樸的年代，雖然工作性能不高，不過那個年代的程序都很簡單，我們的祖先一問世就成為了明星，稱得上那個時代的頂流了。
看到照片中的那些金屬針腳了嗎？那是我們CPU和外界打交道的觸角，每一根都有不同的作用。
通過這些觸角，CPU就可以跟內(nèi)存打交道，獲取指令和數(shù)據(jù)，辛勤的干活啦。
那個年代，條件比較差，能湊合的就湊合，能共用的就共用。這不，你看祖先CPU的地址總線針腳和數(shù)據(jù)總線針腳就共用了。
祖先是一個16位的CPU，數(shù)據(jù)(Data)總線就有16位，一次性可以傳輸16個比特位。和地址(Address)總線湊合著一起共用，于是就取名AD0-AD15。
不過祖先的地址總線卻不止16個，還多出了A16-A19整整4個呢！這樣有20個地址線，可以尋址1MB的內(nèi)存了！
但是祖先的寄存器都是16位的啊，只能存放16位的地址。不過他們很聰明，發(fā)明了一個叫分段式存儲管理的方法，把內(nèi)存劃分為最大64KB的小塊，為什么是64KB呢，因為16位地址最多只能尋址這么大了。然后又加了幾個叫做段寄存器的東西，指向這些塊的開頭，這樣，通過段地址+段內(nèi)偏移地址的方式，就能訪問更多的內(nèi)存了。
32位時代
后來啊，祖先的那點計算能力越來越捉襟見肘，實在是跟不上時代了。家族中的年輕一代開始挑大梁，80286和80386CPU相繼問世，尤其是80386，成為了劃時代的存在。
到了80386時代，我們與外界通信的引腳就更多了，并且變成了32位的CPU，那個時候，生活條件就變好了，地址線和數(shù)據(jù)線再也不用共享引腳了。
后來，人類變得越來越貪心，想要一邊聽音樂，一邊還要上網(wǎng)，同時還要編輯文檔，這就同時需要運行多個程序。
這個時候，有人發(fā)現(xiàn)了商機，開發(fā)了一個叫操作系統(tǒng)的東西，原來那些程序不再直接和我們CPU打交道了，而是和操作系統(tǒng)打交道，操作系統(tǒng)再和我們打交道，中間商賺差價說的就是他們！
操作系統(tǒng)這玩意兒很聰明啊，通過時間片劃分讓我們CPU來輪流執(zhí)行多個程序，一會兒讓我們執(zhí)行音樂播放，一會兒讓我們執(zhí)行瀏覽器程序，一會兒又讓我們執(zhí)行文檔編輯程序。我們是無所謂啊，給什么代碼不是代碼啊，我們不挑，埋頭苦干就是了。人類的反應(yīng)速度跟我們就差得遠(yuǎn)了，他們還以為這些程序真的是同時執(zhí)行的呢。
虛擬內(nèi)存
不過隨之而來出現(xiàn)了一個大問題，這么多程序都要運行，大家擠在一個內(nèi)存里，經(jīng)常發(fā)生摩擦，沖突不斷。
先祖?zhèn)優(yōu)榱舜耸職椌邞]，終于想出了一個好辦法，一直沿用至今。
他們提出了一個虛擬地址的東西，所有程序使用的地址都是一個虛擬的地址，在真正和內(nèi)存打交道的時候，咱們CPU內(nèi)部工作人員再給翻譯成真實的內(nèi)存地址，關(guān)于這事兒，內(nèi)存那家伙一直被我們蒙在鼓里。
這樣一來，每個程序都可以用的是0x00000000到0xffffffff總共4GB這么大范圍的地址空間，當(dāng)然不會真的給他們那么多空間，內(nèi)存那家伙總共才4GB呢，而是要按需申請分配。分配的單元是按照頁來進(jìn)行的，32位的CPU一個頁是4KB。這些分配管理的累活就讓操作系統(tǒng)來干了，中間商不能光拿好處不干正事，至于我們CPU，做好地址翻譯的工作就好了。
為此，在我們寄存器內(nèi)部專門添置了一個新的寄存器CR3，用來指向一個地址翻譯查詢字典，字典劃分了兩級目錄。我們把一個32位的地址劃分了3部分，前面兩部分分別指向兩級目錄中的條目，用來定位這個地址在物理內(nèi)存的哪個頁面，最后一部分就是指向物理內(nèi)存頁面的偏移，這樣就完成了地址的翻譯工作。
每個進(jìn)程有不同的地址空間，切換進(jìn)程的時候，把CR3的內(nèi)容換一下就使用新進(jìn)程的翻譯字典，特別的方便。
我們把這種內(nèi)存管理方式叫做分頁式內(nèi)存管理。
真佩服先祖?zhèn)兊闹腔?，這樣巧妙的把各個程序隔離開來，后來我們把這種工作模式叫做保護(hù)模式，把之前那種直接使用真實內(nèi)存地址的工作模式叫做實地址模式。
分頁交換
人類變得越來越貪婪，程序變得越來越多，對內(nèi)存的需求也越來越大。隨著這些程序都不斷申請內(nèi)存頁面，內(nèi)存空間很快就要耗盡了。
我們看在眼里，急在心里，后來找操作系統(tǒng)協(xié)商，看看這問題該怎么辦。
操作系統(tǒng)那家伙也不賴，想出了一個好辦法。內(nèi)存的大小有限，但是硬盤給力啊，硬盤空間大的多，去硬盤上劃一塊區(qū)域來，把內(nèi)存里長時間沒有用到的頁面給換到這塊區(qū)域里去，然后做個標(biāo)記。如果后面誰要訪問那個頁面，咱們CPU就檢查如果有這個標(biāo)記，就發(fā)送一個頁錯誤的中斷信號告訴操作系統(tǒng)去把這個頁面換回來。
通過我們之間的配合，解決了內(nèi)存緊張的危機。后來我們把這個技術(shù)叫做內(nèi)存分頁交換。
現(xiàn)在
時間過得很快，到了我們這一輩，內(nèi)存變得更大了，16GB都是小case，32GB也很常見。
除了內(nèi)存，我們CPU本身也更先進(jìn)了，別的不說，你光看看咱們現(xiàn)在的引腳數(shù)那比先祖?zhèn)兡菐纵吘筒豢赏斩Z。
我們不僅從32位變成了64位，還從單核變成了多核，像我所在的CPU就有8個車間，8核并行執(zhí)行，比起先祖那個年代簡直有云泥之別。
彩蛋
和小黑閑談間，我們車間的老K突然出現(xiàn)在了門口。
“阿Q原來你在這里，讓我好找，趕快回去吧，隔壁二號車間的虎子說我們改了他們的數(shù)據(jù)，上門來鬧事了······”
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