1 批處理系統
CPU阿甘最近很煩。 原因很簡單，內存和硬盤看他不順眼。
阿甘心裏很清楚，是自己幹活太快了，幹完了活就歇着喝茶，這時候內存和硬盤還在辛辛苦苦的忙活，他們肯定覺得很不爽了。中國有句古話叫什麼來着？ “木秀於林，風必摧之”，“不患貧而患不均”，這就是阿甘的處境。雖然阿甘自己也於心不忍，可是有什麼辦法？誰讓他們那麼慢！一個比自己慢100倍，另外一個比自己慢100萬倍！這個世界的造物主爲什麼不把我們的速度弄的一樣呢？
阿甘所在的是一個批處理的計算機系統，操作系統老大收集了一批任務以後，就會把這一批任務的程序逐個裝載的內存中，讓CPU去運行，大部分時候這些程序都是單純的科學計算，計算彈道軌跡什麼的，但有時候也會有IO相關的操作，這時候，內存和硬盤都在瘋狂的加班Load數據，可是阿甘只能等待數據到來，只能坐那兒喝茶了。
沒多久，內存向操作系統老大告了阿甘一狀，阿甘被老大叫去訓話了：“阿甘，你就不能多幹一點？ 老是歇着喝茶算是怎麼回事？”
阿甘委屈的說：“老大，這不能怪我啊，你看你每次只把一個程序搬到內存那裏讓我運行，正常情況下，我可以跑的飛快，可以是一旦遇到IO相關的指令，勢必要去硬盤那裏找數據，硬盤實在是太慢了，我不得不等待啊”
操作系統說：“臥槽，聽你的口氣還是我的問題啊， 一個程序遇到了IO指令，你不能把它掛起，存到到硬盤裏，然後再找另外一個運行嗎？”
阿甘笑了：“老大我看你是氣昏頭了，我要是把正在運行的程序存到硬盤裏，暫時掛起，然後再從硬盤裝載另外一個，這可都是IO操作啊，豈不更慢？”
“這？！” 操作系統語塞了，沉默了半天說：“這樣吧，我以後在內存裏多給你裝載幾個程序，一個程序被IO阻塞住了， 你就去運行另外一個如何？”
“這得問問內存，看他願不願意了，我把內存叫來，我們一起商量商量” 阿甘覺得這個主意不錯。
內存心思縝密，聽了這個想法，心想：自己也沒什麼損失啊，原來同一時間在內存裏只有一個程序，現在要裝載多個，對我都一樣。
可是往深處一想，如果有多個程序，內存的分配可不是個簡單的事情，比如說下面這個例子：
(1) 內存一共90k, 一開始有三個程序運行，佔據了80k的空間，剩餘10k
(2) 然後第二個程序運行完了，空閒出來20k , 現在總空閒是30K,但這兩塊空閒內存是不連續的。
(3) 第4個程序需要25k, 沒辦法只好把第三個程序往下移動，騰出空間讓第四個程序來使用了。
內存把自己的想法給操作系統老大說了說。 老大說：阿甘，你要向內存學習啊，看看他思考的多麼深入，不過這個問題我有解決辦法，需要涉及到幾個內存的分配算法，你們不用管了。咱們就這麼確定下來，先跑兩個程序試試。
2 地址重定位
第二天一大早，試驗正式開始，老大同時裝載了兩個程序到內存中：
第一個程序被裝載到了內存的開始處，也就是地址０，運行了一會，遇到了一個IO指令，在等待數據的時候，老大立刻讓CPU開始運行第二個程序，這個程序被裝載到了地址10000處，剛開始運行的好好的，突然就來了這麼一條指令：
MOV AX [1000] ( AX是一個寄存器，你可以理解成在CPU內部的一個高速的存儲單位，這個指令的含義是把AX寄存器的值寫到內存地址1000處)
阿甘覺得似曾相識，隱隱約約的記得第一個程序中也這麼一條類似的指令：
MOV BX [1000]
“老大，壞了，這兩個程序操作了同一個地址！數據會被覆蓋掉！” 阿甘趕緊向操作系統彙報。
操作系統一看就明白了，原來這個系統的程序引用的都是物理的內存地址，在批處理系統中，所有的程序都是從地址0開始裝載，現在是多道程序在內存中，第二個程序被裝載到了10000這個地址，但是程序沒有變化啊，還是假定從0開始，自然就出錯了。
“看來老大在裝載的時候得修改一下第二個程序的指令了，把每個地址都加上10000（即第二個程序的開始處），原來的指令就會變成 MOV AX [11000] ” 內存確實反應很快。（直接修改程序的指令，這叫靜態重定位）
阿甘說：“ 如果用這種辦法，那做內存緊縮的時候可就麻煩了，因爲老大要到處移動程序啊，對每個移動的程序豈不還都得做重定位？這多累啊！”
操作系統老大陷入了沉思，阿甘說的沒錯，這個靜態重定位是很不方便，看來想在內存中運行多道程序不是想象的那麼容易。但是能不能改變下思路，在運行時把地址重定位呢？
首先得記錄下每個程序的起始地址，可以讓阿甘再增加一個寄存器，專門用來保存初始地址。
例如對第一個程序，這個地址是0 ， 對第二個程序，這個地址是10000， 運行第一個程序的時候，把寄存器的值置爲0 ，當切換到第二個程序的時候，寄存器的值也應該切換成10000。 只要遇到了地址有關的指令，都需要把地址加上寄存器的值，這樣纔得到真正的內存地址，然後去訪問。（這叫地址的動態重定位）
操作系統趕緊讓阿甘去加一個新的寄存器，重新裝載兩個程序，記錄下他們的開始地址，然後切換程序，這次成功了，不在有數據覆蓋的問題了。
只是阿甘有些不高興：“老大，這一下子我這裏的活可多了不少啊，你看每次訪問內存，我都得額外的做一次加法運算啊。”
老大說：“沒辦法，能者多勞嘛，你看看我，我既需要考慮內存分配算法，還得做內存緊縮，還得記住每個程序的開始地址，切換程序的時候，才能刷新你的寄存器，我比你麻煩多了！”
內存突然說到：”老大，我想到一個問題，假設有個不懷好意的惡意程序，它去訪問別人的空間怎麼辦？ 比如說地址2000至3000屬於一個程序，但是這個程序來了一條這樣的指令MOV AX [1500], 我們在運行時會翻譯成MOV AX [3500] , 這個3500有可能是別的程序的空間啊“
“唉，那就只好再加個寄存器了，阿甘，用這個新寄存器來記錄程序在內存中的長度吧，這樣每次訪問的時候拿那個地址和這個長度比較一下，我們就知道是不是越界了” 老大無可奈何了。
“好吧” 阿甘答應了，“ 我可以把這連個寄存器，以及計算內存地址的方法，封裝成一個新的模塊，就叫MMU （內存管理單元）吧，不過這個東西聽起來好像應該內存來管啊”
內存笑着說：“那是不行的，阿甘，能夠高速訪問的寄存器只有你這裏纔有啊，我就是一個比你慢100倍的存儲器而已！”。
3分塊裝入程序
多道程序最近在內存中運行的挺好，阿甘沒法閒下來喝茶了，經常是一個還沒運行完，很快就切換到另外一個。那些程序也都是好事之徒，聽說了這個新的系統，都拼了命，擠破頭的往內存中鑽。內存很小，很快就會擠滿，操作系統老大忙於調度，也是忙的不可開交。
更有甚者，程序開始越長越大，有些圖形處理的程序，還有些什麼叫Java的程序，動不動就要幾百M內存，就這還嚷嚷着說不夠。 操作系統頭都大了，把CPU和內存叫來商量。
“世風日下，人心不古啊” 內存一邊嘆氣一遍說“原來批處理的時候那些程序規規矩矩的，現在是怎麼了？”
“這也不能怪那些程序，現在硬件的確比原來好多了，內存，你原來只有幾十K, 現在都好幾G了，CPU在摩爾定律的關照下，發展的更快，每隔18個月，你的速度就翻一翻” 操作系統老大說。
“那也趕不上這些程序的發展速度，他們對我要求越來越高，可是把我累壞了” CPU垂頭喪氣的。
“我們還是考慮下怎麼讓有限的內存裝下更多的程序吧”
“我有一個提議” 阿甘說“對每個程序，不要全部裝入內存，要分塊裝載，例如先把最重要的代碼指令裝載進來，在運行中按需裝載別的東西。”
內存嘲笑說：“阿甘，看來你又想偷懶喝茶了，哈哈，如果每個程序都這樣，IO操作得多頻繁，我和硬盤累死，你就整天歇着吧”
阿甘臉紅了，沉默了。
“慢着”老大說“阿甘，你之前不是發現過什麼原理嘛，就是從幾千億條指令中總結出的那個，叫什麼來着？”
“奧，那是局部性原理，有兩個：
(1) 時間局部性：如果程序中的某條指令一旦執行，則不久之後該指令可能再次被執行； 如果某數據被訪問，則不久之後該數據可能再次被訪問。
(2) 空間局部性：指一旦程序訪問了某個存儲單元，則不久之後。其附近的存儲單元也將被訪問。“
“這個局部性原理應該能拯救我們，阿甘，我們完全可以把一個程序分成一個個小塊，然後按塊來裝載到內存中，由於局部性原理的存在，程序會傾向於在這一塊或幾塊上執行，性能上應該不會有太大的損失。”
“這能行嗎？” 內存和阿甘不約而同的問。“試一試就知道了，這樣我們把這一個個小塊叫做頁框（page frame），每個暫定4k大小，裝載程序的時候也按照頁框大小來”
實驗了幾天，果然不出老大所料，那些程序在大部分時間真的只運行在幾個頁框中，於是老大把這些頁稱爲工作集(working set)
4虛擬內存：分頁
“既然一個程序可以用分塊的技術逐步調入內存，而不太影響性能，那就意味着，一個程序可以比實際的內存大的多啊”。阿甘躺在牀上，突然間想到這一層，心頭突突直跳，這絕對是一個超級想法。
“我們可以給每個程序都提供一個超級大的空間，例如4G，只不過這個空間是虛擬的，程序中的指令使用的就是這些虛擬的地址，然後我的MMU把它們映射到真實的物理的內存地址上，那些程序們渾然不覺，哈哈，實在是太棒了”
內存聽說了這個想法，驚訝的瞪大了雙眼：“阿甘，你瘋了吧”
“阿甘的想法是有道理的” 老大說“只是我們還要堅持一點，那就是分塊裝入程序，我們把虛擬的地址也得分塊，就叫做頁（page）, 大小和物理內存的頁框一樣，這樣好映射。”
“老大，看來你又要麻煩了，你得維持一個頁表，用來映射虛擬頁面和物理頁面”
“不僅如此，我還得記錄一個程序哪些頁已經被裝載到了物理內存，哪些沒有被裝載，如果程序訪問了這些沒被裝載的頁面，我還得從內存中找到一塊空閒的地方，如果內存已滿，只好把現有的頁框置換一個到硬盤上了，可是，怎麼確定那個物理內存的頁框可以置換呢？唉，又涉及到很多複雜的算法，需要大費一番周折。你看看，老大不是這麼容易當的。”
（這就是分頁的工作原理，需要注意的是虛擬地址的#4頁，在物理內存中不存在，如果程序訪問第4頁，就會產生缺頁的中斷，由操作系統去硬盤調取）
內存想起來一個問題： “如果程序運行時，每次都得查頁表來獲得物理的內存頁，而頁表也是在內存裏，而我比你慢100倍，你受得了嗎，阿甘？”
阿甘笑了：“這個問題其實我也考慮了，所以我打算增強我的內存管理單元，把那些最常訪問的頁表項放到緩存裏，這樣不就快了嗎。 ”
內存想想也是，還是局部性原理，太牛了。
5分段+分頁
分頁系統運行了一段時間以後，又有程序表示不爽了，這些程序嚷嚷着說：
“你們能不能把程序“分家”啊，例如代碼段，數據段，堆棧段，這多麼自然，並且有利於保護，要是程序試圖去寫這個只讀的代碼段，立刻就可以拋出保護異常！”
還有程序說：“頁面太小了，實在不利於共享，我和哥們共享的那個圖形庫，高達幾十M , 得分成好多頁來共享，太麻煩了，你們要是做一個共享段該多好！”......這樣的聒噪聲多了，大家都不勝其煩，那就“分家”吧。
當然對每個程序都需要標準化，一個程序被分成代碼段，數據段和堆棧段等，操作系統老大記錄下每個段的開始和結束地址，每個段的保護位。
但是在每個段的內部，仍然按分頁的系統來處理，除了頁表之外，操作系統老大又被迫維護了一個段表這樣的東西。
一個虛擬的內存地址來了以後，首先根據地址中的段號先找到相應的段描述表，其中有頁表的地址，然後再從頁表中找到物理內存，過程類似這樣：
所有事情都設置好了，大家都喘了口氣，覺得這樣的結構大家應該沒什麼異議了。
老大心情大好，覺得一切盡在掌握，他笑着對CPU阿甘說：
“阿甘，從今天開始，如果有程序想非法的訪問內存，例如一個不屬於他的段，我就立刻給他一個警告：Segmentation Fault !”阿甘說：“那程序收到Segmentation Fault以後怎麼處理？”
老大說：“通常情況下就被我殺死，然後給他產生一個叫core dump的屍體，讓那些碼農們拿走分析去吧!”