理解CPU内存管理

概述：从设计层面理解CPU的内存模式，包括段式内存管理、页式内存管理以及虚拟化扩展内存管理。实际上，硬件支持与软件实现从来就不是能分开讲的，比如，Intel CPU架构师在选择CPU的硬件特性时，必然会站在软件的角度审视该特性。目前，硬件实现的许多特性完全可以由软件方式实现，但为何非要设计成硬件实现方式，其原因或许是因为硬件实现有助于系统整体的性能提高，亦或许受研究者的个体偏好等非技术性因素影响，本文不做深究。

CPU处理器的内存管理提供了段式内存管理和页式内存管理两种技术，OS在借助该内存管理技术实现了系统底层的内存管理功能。

我们知道，由于内存（RAM，主存，半导体材料）的访问速度远远超过硬盘存储介质（磁性材料），所以内存负责与CPU直接交互，程序运行之前其数据和代码需要被加载到内存之中。那么问题来了，“上帝”将待执行的程序加载到内存之中就OK了，为什么还要通过段/页式内存管理方式管理内存呢？要知道段页式内存管理技术会将一个给定的“内存地址”变来变去，非常繁琐，导致"当前程序“理解的内存地址与实际的物理内存地址的对应关系并不直观，为什么CPU/OS要采用这类内存管理方式呢？

如果”当前程序“理解的内存地址为A，对应的物理内存也是A，世界该是多么的直白……

我在学习操作系统之初就思考过这个问题，后来阅遍经卷、参悟CPU架构、自己开始实现一个OS内核之后才对这个问题理解得越来越深刻。

首先要知道一点，OS实现段/页式内存管理的说法存在一定的误导性，更准确的说法应该是，现代CPU架构设计支持了段页式内存管理设计，OS作为一个纯软件实体，如果想基于CPU提供的技术支持正常运行，就必须对段页式内存管理技术做出表态：用还是不用。实际上，段式管理是必须要有的，页式管理是可选的。

那么，为什么CPU架构要支持该类内存管理技术？这个问题的理解又要转到”软实体“的角度。

打个比方，我作为土豪一枚，我的机器配置了50G物理内存，OS欲将待运行的程序加载到这50G内存里面，该加载到内存的哪部分，或如何利用50G内存呢？

方式一：将整个程序全部加在到内存中，这50G内存都是该程序自己的，随便用！

这种内存管理方式最大的缺点就是，OS不能实现我们所说的”多任务“，即很难”同时“执行多个程序。如果用这种内存管理方式实现多任务支持，只能这样：OS加载程序A，A运行了0.1s后被暂停，OS将A的当前状态保存到磁盘，然后加载程序B，B运行0.1s后被暂停并被保存状态到磁盘，OS加载A，恢复A的执行状态并执行A 0.1s...

作为一种原始的内存使用和多任务方式，该方案粗暴、低效、资源浪费……你想怎么批评它就怎么批评它！

方式二：将50G按10G分成5部分，OS拿出其中四部分即40G空间加载4个程序并运行，任务切换只需要切换当前的CPU状态而不必重新加载目标程序。咦……OS瞬间支持4任务了……但是如果想支持8任务、10任务呢？难道针对一个不同的多任务需求需要定制不同的多任务OS吗？另外，任务之间的内存隔离也有问题，在0-10G内存空间里的程序可以直接访问到其他3个任务的内存空间数据（如果没有而外的硬件防护的话），好像安全性不敢保证，因为CPU在执行指令时如不借助”助手“将无法判断某个内存位置访问是否合法。

但是，这种方案确实有些进步，因为这种内存管理方式可以简单满足多任务需求了，而且，对比现代内存管理技术，该方案可以称之为”硬件级固定长度的段式内存管理“了。

方式三：现在，需要解决方式二的缺点，实现任意多任务和内存访问保护。

CPU架构师这样考虑（我猜的）的：

如果我把内存不按照定长分割，而是根据待加载的程序的大小，使用智能算法决定为它分配多大内存，这不就可以更好的实现多任务了嘛！

理论上只要物理内存足够大，就可以支持同时运行任意数量的任务。

程序间的内存保护（最起码任务程序不能越界访问其他任务的内存）该如何实现呢？

CPU架构师这样考虑（我猜的）的：

CPU在加载程序后，当前程序的内存首地址（基址）和内存长度保存到一张表里面，此时程序所理解得内存地址在CPU看来永远是一个相对于当前基址的偏移地址。

这样，程序访问内存是提供的内存地址紧紧是个CPU眼中的偏移而已，CPU就可以查表检查该偏移是否超过内存长度。

如果偏移合法，基址加偏移就可以得到真实的物理地址，然后取得数据；如果偏移不合法，CPU拒绝访问数据，并抛出异常。

如果你读过其他资料已经对段式内存管理有所了解，那么你应该会看出，方式三正是段式内存管理技术的雏形，CPU用到的表就是GDT/LDT。

待续。。。