比爾·蓋茨在上世紀(jì)80年代說的“640K ought to be enough for anyone”

也就是“640K內(nèi)存對(duì)哪個(gè)人來說都?jí)蛴昧恕?/p>

那個(gè)年代，微軟開發(fā)的還是DOS操作系統(tǒng)，程序員們還在絞盡腦汁，想要用好這極為有限的640K內(nèi)存

而現(xiàn)在，我手頭的Mac Book Pro已經(jīng)是16G內(nèi)存了，上升了一萬倍還不止。

那比爾·蓋茨這句話在當(dāng)時(shí)也是完全的無稽之談么？有沒有哪怕一點(diǎn)點(diǎn)的道理呢？這一講里，我就和你一起來看一看。

1 程序裝載的挑戰(zhàn)

在運(yùn)行這些可執(zhí)行文件的時(shí)候，我們其實(shí)是通過一個(gè)裝載器，解析ELF或者PE格式的可執(zhí)行文件

裝載器會(huì)把對(duì)應(yīng)的指令和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存里面來，讓CPU去執(zhí)行。

裝載到內(nèi)存,裝載器需要滿足兩個(gè)要求

• 可執(zhí)行程序加載后占用的內(nèi)存空間應(yīng)該是連續(xù)的
• 執(zhí)行指令的時(shí)候，程序計(jì)數(shù)器是順序地一條一條指令執(zhí)行。這意味著，這一條條指令需要連續(xù)地存儲(chǔ)在一起
• 需要同時(shí)加載很多個(gè)程序，并且不能讓程序自己規(guī)定在內(nèi)存中加載的位置
• 雖然編譯出來的指令里已經(jīng)有了對(duì)應(yīng)的各種各樣的內(nèi)存地址，但是實(shí)際加載的時(shí)候，我們其實(shí)沒有辦法確保，這個(gè)程序一定加載在哪一段內(nèi)存地址上
• 因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)通常會(huì)同時(shí)運(yùn)行很多個(gè)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

要滿足這兩個(gè)基本的要求，我們很容易想到一個(gè)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(gè)程序指令里指定的內(nèi)存地址做一個(gè)映射。

指令里用到的內(nèi)存地址叫作虛擬內(nèi)存地址（Virtual Memory Address）

實(shí)際在內(nèi)存硬件里面的空間地址，我們叫物理內(nèi)存地址（Physical Memory Address）

程序里有指令和各種內(nèi)存地址，我們只需要關(guān)心虛擬內(nèi)存地址就行了

對(duì)于任何一個(gè)程序來說，它看到的都是同樣的內(nèi)存地址。我們維護(hù)一個(gè)虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射表，這樣實(shí)際程序指令執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)通過虛擬內(nèi)存地址，找到對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存地址，然后執(zhí)行。因?yàn)槭沁B續(xù)的內(nèi)存地址空間，所以我們只需要維護(hù)映射關(guān)系的起始地址和對(duì)應(yīng)的空間大小就可以了。

2 內(nèi)存分段

這種找出一段連續(xù)的物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行映射的方法，我們叫分段（Segmentation）。

這里的段，就是指系統(tǒng)分配出來的那個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間。

分段的辦法很好，解決了程序本身不需要關(guān)心具體的物理內(nèi)存地址的問題，但它也有一些不足之處，第一個(gè)就是內(nèi)存碎片（Memory Fragmentation）

舉個(gè)例子

電腦有1GB的內(nèi)存

先啟動(dòng)一個(gè)圖形渲染程序，占用了512MB的內(nèi)存

接著啟動(dòng)一個(gè)Chrome瀏覽器，占用了128MB內(nèi)存

再啟動(dòng)一個(gè)PY程序，占用了256MB內(nèi)存

這個(gè)時(shí)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(gè)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的內(nèi)存

因此，實(shí)際情況是，我們的程序沒辦法加載進(jìn)來。

當(dāng)然了,有辦法解決 --- 內(nèi)存交換（Memory Swapping）

我們可以把Python程序占用的256MB內(nèi)存寫到硬盤，再從硬盤上讀回來到內(nèi)存里面

不過讀回來的時(shí)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(gè)新的200MB的程序。如果你自己安裝過Linux操作系統(tǒng)，你應(yīng)該遇到過分配一個(gè)swap硬盤分區(qū)的問題

這塊分出來的磁盤空間，其實(shí)就是專門給Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)存交換用的。

虛擬內(nèi)存、分段，再加上內(nèi)存交換

看起來似乎已經(jīng)解決了計(jì)算機(jī)同時(shí)裝載運(yùn)行很多個(gè)程序的問題

不過三者的組合仍然會(huì)遇到一個(gè)性能瓶頸

• 硬盤的訪問速度要比內(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(shí)候，交換的是一個(gè)很占內(nèi)存空間的程序，這樣整個(gè)機(jī)器都會(huì)顯得卡頓。

3 內(nèi)存分頁

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(dāng)需要進(jìn)行內(nèi)存交換的時(shí)候，讓需要交換寫入或者從磁盤裝載的數(shù)據(jù)更少一點(diǎn)，這樣就可以解決這個(gè)問題。

這個(gè)辦法，在現(xiàn)在計(jì)算機(jī)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

分頁則是把整個(gè)物理內(nèi)存空間切成一段段固定尺寸的大小**

而對(duì)應(yīng)的程序所需要占用的虛擬內(nèi)存空間，也會(huì)同樣切成一段段固定尺寸的大小。

這樣一個(gè)連續(xù)并且尺寸固定的內(nèi)存空間，我們叫頁（Page）。

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(gè)個(gè)頁來的。

頁的尺寸一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)程序的大小。

在Linux下，我們通常只設(shè)置成4KB。你可以通過命令看看你手頭的Linux系統(tǒng)設(shè)置的頁的大小。

由于內(nèi)存空間都是預(yù)先劃分好的，也就沒有不能使用的碎片，而只有被釋放出來的很多4KB的頁。

即使內(nèi)存空間不夠，需要讓現(xiàn)有的、正在運(yùn)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，一次性寫入磁盤的也只有少數(shù)的一個(gè)頁或者幾個(gè)頁，不會(huì)花太多時(shí)間，讓整個(gè)機(jī)器被內(nèi)存交換的過程給卡住。

分頁的方式使得加載程序的時(shí)候，不再需要一次性把程序加載到物理內(nèi)存中

可以在進(jìn)行虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的頁之間的映射后，并不真的把頁加載到物理內(nèi)存里，而是只在程序運(yùn)行中，需要用到對(duì)應(yīng)虛擬內(nèi)存頁里面的指令和數(shù)據(jù)時(shí)，再加載到物理內(nèi)存里面去。

實(shí)際上，我們的操作系統(tǒng)，的確是這么做的

當(dāng)要讀取特定的頁，卻發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)并沒有加載到物理內(nèi)存里的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)來自于CPU的缺頁錯(cuò)誤（Page Fault）

操作系統(tǒng)會(huì)捕捉到這個(gè)錯(cuò)誤，然后將對(duì)應(yīng)的頁，從存放在硬盤上的虛擬內(nèi)存里讀取出來，加載到物理內(nèi)存里。這種方式，使得我們可以運(yùn)行那些遠(yuǎn)大于我們實(shí)際物理內(nèi)存的程序。同時(shí)，這樣一來，任何程序都不需要一次性加載完所有指令和數(shù)據(jù)，只需要加載當(dāng)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(gè)技術(shù)的組合，我們最終得到了一個(gè)讓程序不需要考慮實(shí)際的物理內(nèi)存地址、大小和當(dāng)前分配空間的解決方案。

這些技術(shù)和方法，對(duì)于我們程序的編寫、編譯和鏈接過程都是透明的。這也是我們?cè)谟?jì)算機(jī)的軟硬件開發(fā)中常用的一種方法，就是加入一個(gè)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(duì)應(yīng)的真實(shí)的內(nèi)存地址、程序加載、內(nèi)存管理等問題了。任何一個(gè)程序，都只需要把內(nèi)存當(dāng)成是一塊完整而連續(xù)的空間來直接使用。

4 總結(jié)

電腦只要640K內(nèi)存就夠了嗎？很顯然，現(xiàn)在來看，比爾·蓋茨的這個(gè)判斷是不合理的，那為什么他會(huì)這么認(rèn)為呢？因?yàn)樗彩且粋€(gè)很優(yōu)秀的程序員??！

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(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)要運(yùn)行一個(gè)程序，“必需”的內(nèi)存是很少的。CPU只需要執(zhí)行當(dāng)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和指令的時(shí)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，也無怪乎在比爾·蓋茨會(huì)說出“640K ought to be enough for anyone”這樣的話。

不過呢，硬盤的訪問速度比內(nèi)存慢很多，所以我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，沒有個(gè)幾G的內(nèi)存都不好意思和人打招呼。

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(dòng)態(tài)裝載”，學(xué)習(xí)一下讓兩個(gè)不同的應(yīng)用程序，共用一個(gè)共享程序庫的辦法。