学习《操作系统导论》04

抽象：地址空间

早期操作系统

早期的操作系统定位更像是一个函数库，尤其是对内存这块其实几乎是没有什么抽象的，一块物理内存空间中，实际上就是简单的两块：OS+程序。

多道程序和分时共享

在计算机还未普及的年代，每台计算机价格极其昂贵，动辄都是上百万美金，所以这时候对计算机的利用效率就成了大家一致的追求。

这个阶段初期，出现了多道程序机制，这个机制简单来说就是：计算机可以同时运行多个程序，但是并不是说这些程序同时运行，而是许多程序都是处于准备状态，当一个进程在运行时，进入了IO阻塞状态，就直接调度其他进程接着执行，目的就是为了提高CPU的利用效率。如此循环往复，确保计算机能够一直不停的处于工作状态。

后来随着计算机的发展，首先从程序员行业来说，就带来了一个不得不考虑的问题：计算机资源昂贵，所以那时的程序员并不是像现在这样，哪怕写了很简单的几行代码就可以直接上机运行了，那时候都需要排期，因此每次在轮到的时候，大家都会把这段时间以来留存下来的代码一并提交上，然后根据具体的运行情况，再进行调整改进，以期待下次继续排到自己。

这个循环过程周期长，并且很不方便，所以此时大家更希望的是：对于我提交的程序能尽快执行，可以及时得到反馈。因此出现了分时共享系统。

这里的分时共享，实际上也是一种交替执行的策略，在早期阶段，计算机内存不多，所以此时的分时系统在某一时段内运行某个进程的时候，这个进程会占用所有的内存空间；然后经过一个时间周期后，切换到另一个进程上，此时需要将上一个进程的现场信息进行保存，因此可能会将其存到磁盘上。然后所有的进程都如此反复操作。

此时它存在的最大问题就是：效率太低了，因为涉及到进程切换，此时会有一些堆、栈、初始化变量等等信息需要进行转换，尤其这些数据还是在磁盘上，这就导致效率进一步降低。

这里初步的调整可以考虑将这些现场信息存到内存中，而非磁盘上，随着内存的发展，内存空间现在变得越来越大了，因此这种情况可以得到一定的改善，但是还是不得不面对一个事实：内存始终都是优先的，而且内存的造价也远非磁盘可比的。

同时因为内存的发展，所以现在内存中会同时驻留很多进程，这种情况下就带来了另一个考虑：保护。因为多个进程的数据都驻留在内存中，操作系统就需要确保这些数据有很好的隔离性，A进程在运行的时候不会访问到B进程的内存数据。

地址空间

接下来简单介绍了一下地址空间，处于简单考虑，这里书中只给出了三种内存空间：

• 代码
• 堆
• 栈

从上到下，代码实际上就是存放指令的地方，堆就是在程序中动态管理的内存区域，一般比如C程序中的malloc或者Java中的new操作都是在这个区域内，他的增长方向是正向的，而栈位于地址空间的另一端，它的增长方向恰恰和堆是相反的，因此它被放在了地址空间的另一端。

目标

接着介绍了虚拟内存的三个目标：

• 透明：所谓透明就是确保内存的实际物理情况对进程本身保持透明，每个进程在运行的时候都感觉到自己在使用一大片内存区域，在它的视野内看不到其他情况。
• 效率：引入虚拟内存的另一个目标就是为了提高效率问题，这个效率既包括空间效率，也包括时间效率。空间效率就是在尽可能小的空间上做更多的事情，而时间效率就是确保程序不会运行得太慢。
• 保护：前面也介绍到了数据隔离的问题，虚拟户内存也是为了确保进程不会收到干扰，每个进程只能看到本进程的相关信息，不会偷窥到其他进程的情况，这样某个进程出现问题时，其他进程可以不受影响继续运行。

补充：
在C程序中，如果我们打印指针，会得到一串十六进制的数据，这个我们一般叫它地址信息，但是这里的地址实际上是虚拟地址，在所有用户级的程序中，我们能看到的关于地址的数据实际上都是虚拟地址，实际的物理地址只有操作系统和硬件本身知道。