丨程序裝載640k內(nèi)存真的不夠用么

上一講，我們看到了如何通過器，把多個文件合并成一個最終可執(zhí)行文件。在運行這些可執(zhí)行文件的時候，我們其實是通過一個裝載器，解析ELF或者PE格式的可執(zhí)行文件。裝載器會把對應的指令和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存里面來，讓CPU去執(zhí)行。說起來只是裝載到內(nèi)存里面這一句話的事兒，實際上裝載器需要滿足兩個要第一，可執(zhí)行程序加載后占用的內(nèi)存空間應該是連續(xù)的。我們在第6講講過，執(zhí)行指令的地在一起。第二，我們需要同時加載很多個程序，并且不能讓程序自己規(guī)定在內(nèi)存中加載的位置。編譯出來的指令里已經(jīng)有了對應的各種各樣的內(nèi)存地址，但是實際加載的時候，我們其實沒有辦法確保，這個程序一定加載在哪一段內(nèi)存地址上。因為我們現(xiàn)在的計算機通常會同時運行很多個程序，可能你想要的內(nèi)存地址已經(jīng)被其他加載了的程序占用了。要滿足這兩個基本的要求，我們很容易想到一個辦法。那就是我們可以在內(nèi)存里面，找到一段連續(xù)的內(nèi)存空間，然后分配給裝載的程序，然后把這段連續(xù)的內(nèi)存空間地址，和整個程序指令里指定的內(nèi)存地址做一個映射。我們把指令里用到的內(nèi)存地址叫作虛擬內(nèi)存地址（VirtualMemoryAddress），實際在內(nèi)存硬件里面的空間地址，我們叫物理內(nèi)存地址（PhysicalMemoryAddress）。這種找出一段連續(xù)的物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存地址進行映射的方法，我們叫分（Segmentation）。這里的段，就是指系統(tǒng)分配出來的那個連續(xù)的內(nèi)存空足之處，第一個就是內(nèi)存碎片（MemoryFragmentation）的問題。我們來看這樣一個例子。我現(xiàn)在手頭的這臺電腦，有1GB的內(nèi)存。我們先啟動一個圖形渲染程序，占用了512MB的內(nèi)存，接著啟動一個Chrome瀏覽器，占用了128MB內(nèi)存，再啟動一個Python程序，占用了256MB內(nèi)存。這個時候，我們關(guān)掉Chrome，于是空閑內(nèi)存還有1024-512-256=256MB。按理來說，我們有足夠的空間再去裝載一個200MB的程序。但是，這256MB的內(nèi)存空間不是連續(xù)的，而是被分成了兩段128MB的當然，這個我們也有辦法解決。解決的辦法叫內(nèi)存交換 Swap）我們可以把Python程序占用的那256MB內(nèi)存寫到硬盤上，然后再從硬盤上讀回來到內(nèi)存里面。不過讀回來的時候，我們不再把它加載到原來的位置，而是緊緊跟在那已經(jīng)被占用了的512MB內(nèi)存后面。這樣，我們就有了連續(xù)的256MB內(nèi)存空間，就可以去加載一個新的200MB的程序。如果你自己安裝過Linux操作系統(tǒng)，你應該遇到過分配一個swap硬盤分區(qū)的問題。這塊分出來的磁盤空間，其實就是專門給Linux操作系統(tǒng)進行內(nèi)存交換用的。虛擬內(nèi)存、分段，再加上內(nèi)存交換，看起來經(jīng)解決了計算機同時裝載運行很多個程序的問題。不過，你千萬不要大意，這三者的組合仍然會遇到一個性能瓶頸。硬盤的速度要比內(nèi)存慢很多，而每一次內(nèi)存交換，我們都需要把一大段連續(xù)的內(nèi)存數(shù)據(jù)寫到硬盤上。所以，如果內(nèi)存交換的時候，交換的是一個很占內(nèi)存空間的程序，這樣整個機器都會顯得卡頓。既然問題出在內(nèi)存碎片和內(nèi)存交換的空間太大上，那么解決問題的辦法就是，少出現(xiàn)一些內(nèi)存碎片。另外，當需要進行內(nèi)存交換的時候，讓需要交換寫入或者從磁盤裝載的數(shù)據(jù)更少一點，這樣就可以解決這個問題。這個辦法，在現(xiàn)在計算機的內(nèi)存管理里面，就叫作內(nèi)存分頁（Paging）和分段這樣分配一整段連續(xù)的空間給到程序相比，分頁是把整個物理內(nèi)存空間切成一段段固定尺寸的大小。而對應的程序所需要占用的虛擬內(nèi)存空間，也會同樣切成一段段固定尺寸的大小。這樣續(xù)并且尺寸固定的內(nèi)存空間，我們叫頁（Pae）。從虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射，不再是拿整段連續(xù)的內(nèi)存的物理地址，而是按照一個一個頁來的。頁的尺寸一般遠遠小于整個程序的大小。在Liux下，我們通常只設(shè)置成4KB。你可以通過命令看看你手頭的Linx系統(tǒng)設(shè)置的頁的大小。代1$getconf4KB的頁。即使內(nèi)存空間不夠，需要讓現(xiàn)有的、正在運行的其他程序，通過內(nèi)存交換釋放出一些內(nèi)存的頁出來，寫入磁盤的也數(shù)的一個頁或者幾個頁，不會花太多時更進一步地，分頁的方式使得我們在加載程序的時候，不再需要都把程序加載到物理內(nèi)存中。我們完全可以在進行虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的頁之間的映射之后，并不真的把頁加載到物理內(nèi)存里，而是只在程序運行中，需要用到對應虛擬內(nèi)存頁里面的指令和數(shù)據(jù)時，再加載到物理內(nèi)存里面去。實際上，我們的操作系統(tǒng)，的確是這么做的。當要特定的頁，卻發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)并沒有加載到物理內(nèi)存里的時候，就會觸發(fā)一個來自于CPU的缺頁錯誤（PaeFat）。我們的操作系統(tǒng)會捕捉到這個錯誤，然后將對應的頁，從存放在硬盤上的虛擬內(nèi)存里出來，加載到物理內(nèi)存里。這種方式，使得我們可以運行那些遠大于我們實際物理內(nèi)存的程序。同時，這樣一來，任何程序都不需要加載完所有指令和數(shù)據(jù)，只需要加載當前需要用到就行了。通過虛擬內(nèi)存、內(nèi)存交換和內(nèi)存分頁這三個技術(shù)的組合，我們最終得到了一個讓程序不需要考慮實際的物理內(nèi)存地址、大小和當前分配空間的解決方案。這些技術(shù)和方法，對于我們程序的編寫、編譯和過程都是透明的。這也是我們在計算機的軟硬件開發(fā)中常用的法，就是加入一個間接層。通過引入虛擬內(nèi)存、頁映射和內(nèi)存交換，我們的程序本身，就不再需要考慮對應的真實的內(nèi)存地址、程序加載、內(nèi)存管理等問題了。任何一個程序，都只需要把內(nèi)存當成是一塊完整而連續(xù)的空間來直接使用?，F(xiàn)在回到開頭我問你的問題，我們的電腦只要640K內(nèi)存就夠了嗎？很顯然，現(xiàn)在來看，比爾·的這個判斷是不合理的，那為什么他會這么認為呢？因為他也是一個很優(yōu)秀的程序員啊！在虛擬內(nèi)存、內(nèi)存交換和內(nèi)存分頁這三者結(jié)合之下，你會發(fā)現(xiàn)，其實要運行一個程序，“必需”的內(nèi)存是很少的。CPU只需要執(zhí)行當前的指令，極限情況下，內(nèi)存也只需要加載一頁就好了。再大的程序，也可以分成一頁。每次，只在需要用到對應的數(shù)據(jù)和指令的時候，從硬盤上交換到內(nèi)存里面來就好了。以我們現(xiàn)在4K內(nèi)存一頁的大小，640K內(nèi)存也能放下足足160頁呢，也無怪乎在·會說出“640Koughttoeenoughforayoe”這樣的話。不過呢，硬盤的速度比內(nèi)存慢很多，所以我們現(xiàn)在的計算機，沒有個幾G的內(nèi)存都不那么，除了程序分頁裝載這種方式之外，我們還有其他優(yōu)化內(nèi)存使用的方式么？下一講，我們就一起來看看“動態(tài)裝載”，學下讓兩個不同的應用程序，共用一個共享程序庫的辦法。想要更深入地了解代碼裝載的詳細過程，推薦你閱讀《程序員的自我修養(yǎng)——、裝載和庫》的第1章和第6章。請你想，在Java這樣使用虛擬機的編程語言里面，我們寫的程序是怎么裝載到內(nèi)存里面來的呢？它也和我們講的一樣，是通過內(nèi)存分頁和內(nèi)存交換的方式加載到內(nèi)存里面來的么？歡迎你在留言區(qū)寫下你的思考和疑問，和大家一起探討。你也可以把今天的文章給你朋 歸科技所有 不得售賣。頁面已增加防盜追蹤，將依法其下一 10|動態(tài)：程序內(nèi)部的“共享單車言精選留言言 曾軾 3展heapsize是確保自己只使用特定規(guī)模的資源啊焰 閆循 1高 展不記 1展 文中提到“我們一個從虛擬地址到物理地址的映射表”，那么這個“我們”是指由展美 A??棟杰 展Mr.鈞