Operating Systems: Three Easy Pieces-13 Address Spaces

Operating Systems: Three Easy Pieces

第十三章：Address Spaces

之前，建立一个电脑操作系统是非常容易的事情，也许你会问为什么？因为用户的期望很低。是那些“该死”的用户们，期望“易用”，“性能高”，“可靠”等，才导致所有的这些另人头疼的事情。下次碰到这些用户时，别忘感谢他们，制造了所有的这些问题。

13.1早期的系统：

从内存的角度看，早期的机器没有将其抽象给用户，基本上，机器的物理内存看起来如图13.1

操作系统是一套程序（事实上，是一个库), 位于内存中(本例中公位于物理地址0), 同时会有一个运行的程序(一个进程) 位于物理内存中，本例中位于物理地址64K处。早期的系统没有一些不切实际的想法，用户对OS没有太多的期望，所以对OS开发者来说，日子比较好过，是不是？

13.2并行处理和分时系统

不久后，由于机器比较昂贵，人们开始更加有效的共享机器。因此并行处理时代来到了，这种情况下，多个进程就绪，可以同时运行，OS负责在他们之间切换，例如一个进程需要执行IO操作。这样做，增加了CPU的使用率。用这种方法增加效率有早些时间是非常重要的，当时的机器价值几十或者上百万美元(你认为你的MAC是昂贵的).

然而很快，对机器的需求越来越多，分时处理的时代到来。特别对程序员来说，他们认识到批处理计算的局限性，他们对长时间的编码-调试周期感到厌烦。交互性就变得非常重要，因为很可能很多用户同时使用一个机器，每个用户都在等待他们正在运行的程序的及时响应。

实现分时的一种方法就是短时间运行一个程序，给他访问所有内存的权限，之后暂停它，把它所有的状态保存到类似磁盘的介质中(包括所有的物理内存数据), 加载其它进程的状态，同样短时间运行，这样就实现了某种程度上的暴力机器共享。

不幸的是，这种实现有一个大问题：太慢，尤其对于内存增长来说更加显著。保存和加载毫寄存器级别的状态(如PC，通用寄存器)是相对来说比较快速的，但是保存所有的内存数据到磁盘中, 不夸张的说，没有效率。因此在切换进程时，宁愿将进程保存在内存中，OS中这种分时的实现是更加有效率一些。

在13.2图中，有三个进程，A,B,和C，每一个分配了512K物理内存，假定单CPU，OS选择执行一个进程，比如A，此时B和C位于就绪队列，等待执行。

随着分时变得越来越流行，或许你能猜到，对操作系统来说，就会有新的需求。特别对于允许多任务位于内存中，就使得“保护”变成一个重要的问题。你当然不希望一个进程可以读或者写其它进程的内存。

13.3 Address Space

然而，我们不得不在脑子里想着那些讨厌的用户，这样就需要OS对物理内存建立一个容易使用的抽象。我们叫这个抽象为address space，它是运行着的程序，在系统中看待内存的视角。理解这个基本的OS抽象，是理解内存抽象的关键。

进程的address space包含了运行程序的所有的内存状态。例如，位于内存中某一处的程序的代码指令，它们就在address space中。程序在运行的时候，用stack来记录他在调用序列中的位置，同时申请的局部变量，传递的参数返回的值都保存在stack中。最后，heap有于动态申请，用户管理的内存，如你可能用c语文中的malloc，或者面向对象语文C++或者JAVA中的new。当然，address space中还包含其它的东西，如静态初始化的变量，目前为止，我们假定只有三部分，code, stack和heap。

13.3中，介绍了一个address space只有16KB的例子。程序的code部分位于address space头部(从0开始，占据1KB的address space)。代码是静态的（因此容易存放到内存中），所以把它放在头部并且代码部分，在程序运行时也不会需要额外的空间。

下面，address space的另外两个区域，它们可能在程序运行时增长或者变小。顶部的heap和底部的stack。把它们这样放置，是因为这两部分空间都希望增长，通过将它们放在address space相反的两端，可以实现这种增长：它们只需要向相反的方向增长即可。heap起始地址位于code区域后，向下增长；stack起始于16KB向上增长。然而，这样放置heap和stack只是一种约定俗成，你可以按照你的方式安排address space地址空间。

当然，描述address space时，我们所述的是OS提供给运行程序的抽象。程序实际上不一定位于物理地址从0到16KB之间；实际上它位于物理地址的任意地址。例子中的进程A,B,和C，在图13.2中你可以看到每一个进程是怎样Load到内存中不同的地址的。因此就产生了一个问题：

OS是怎样在基于一个物理内存的基础上，为多个运行的程序建立这个抽象，私有，可能很大的地址空间？

OS这样做的时候，我们把它叫做虚拟内存，因为运行的程序认为，它们被加载到一个特定的地址，0地址，并且拥有一个很大的地址空间（32bits或者64bits), 事实并非如此。

例如，13.2图中的进程A，试图加载到0(我们叫它为虚拟地址)地址，某种程度上对OS来说，在硬件的帮助下，会确保不会加载到物理地址0处，而是加载到物理地址320KB的地址。这就是虚拟内存的关键点，它存在于所有的现代的操作系统当中。

13.4  目的

到这里，我们需要讲讲OS的虚拟内存了。OS不仅仅对内存虚拟化，它这样做遵循一套标准。确保OS这样做，我们需要列出一些指导目标，之前已经提到过这些目标，这里再看一遍，它们是非常值得再看一遍的。

对于虚拟内存系统的一个主要的目标就是，透明。OS实现虚拟内存时，要对运行的程序透明，这样程序不必关心内存是虚拟化的；并且 ，程序运行起来就像拥有自己的物理内存。在这个假象后面，OS（包含硬件）做了所有的事情。

另一个目标是效率。OS应用确保虚拟化尽可能高效，从时间和空间上来算均需要如此。实现时间高效的虚拟化，OS依赖于硬件，包括硬件的TLB等。

最后，VM的第三个目标是保护性，OS应该保护每一个进程。一个进程执行load,store或者取址时，不应该访问或者影响其它进程的内存。这种保护机制使每个进程运行在自己的独立的空间中，防止对其它进程造成恶意的破坏。