6、毫秒级切换的分时系统让多任务看起来是同时运行
多个程序最近在内存中运行得挺好，阿甘没法闲下来喝茶了，经常是一个还没有运行完很快就切换到另一个。
但是这种方式也有一个巨大的缺陷，比如前两天我（薪水计算程序）和一个文字处理程序同时进入内存，这个文字处理程序需要和人类频繁地进行交互，他需要读取硬盘文件的时候，就必须让出CPU；操作系统老大就要求我去计算薪水，我整整运算了5分钟，这才放弃CPU去写文件，可怜的文字处理程序只能在一旁眼睁睁地看着。对人类来说，在5分钟之内文字处理程序毫无反应，像假死了一样。
怎么办？
操作系统老大说：“要不这样，阿甘，你把你的运行时间分成一个个小的时间片，让那些进程使用，一个进程运行一段时间，把当前时间片使用完以后，必须让出CPU，让别的进程使用！这样一来，每个进程都有机会来运行了。”
阿甘张大了嘴巴：“这……这能成吗？每个程序运行一小会儿，那人类看到的岂不就是群魔乱舞了吗？”
“不，你忘了重要的一点，阿甘，你的速度是超级快的，你的1秒相当于人类的10亿秒，所以在缓慢的人类看来，就好像薪水计算程序和文字处理程序同时运行，他们根本感觉不到你在不停地切换进程！”
阿甘说：“这样啊，我试试吧。”
没想到，分时系统一经推出就大获成功，尤其对于那速度超慢的人类而言，他们开着电脑一边听歌，一边上网，一边聊QQ，很是自在，理所当然在认为这些程序就是同时运行的。岂不知阿甘是让音乐播放器运行几十毫秒，然后打断，让浏览器进程运行几十毫秒，再打断，让QQ进程也运行几十毫秒，如此循环往复。
7、多任务运行的内存管理：地址重定位、分块、分页、分段
7.1
多道程序运行，内存的分配可不是个简单的事情。
得记录下每个程序的起始地址， 可以让阿甘再增加一个寄存器，专门用来保存初始地址。
例如对第一个程序，这个地址是 0 ， 对第二个程序，这个地址是10000，
运行第一个程序的时候，把寄存器的值置为0 ， 当切换到第二个程序的时候，寄存器的值也应该切换成10000。
只要遇到了地址有关的指令， 都需要把地址加上寄存器的值，这样才得到真正的内存地址，然后去访问。 （这叫地址的动态重定位）
内存突然说：”老大， 我想到一个问题，假设有个不怀好意的恶意程序，它去访问别人的空间怎么办？ 比如说地址2000 至 3000属于一个程序， 但是这个程序来了一条这样的指令 MOV AX [1500], 我们在运行时会翻译成 MOV AX [3500] , 这个3500有可能是别的程序的空间啊“
“唉，那就只好再加个寄存器了，阿甘， 用这个新寄存器来记录程序在内存中的长度吧， 这样每次访问的时候拿那个地址和这个长度比较一下，我们就知道是不是越界了” 老大无可奈何了。
“好吧！” 阿甘答应了，“ 我可以把这两个寄存器，以及计算内存地址的方法，封装成一个新的模块，就叫MMU （内存管理单元）吧， 不过这个东西听起来好像应该内存来管啊”
内存笑着说： “那是不行的，阿甘， 能够高速访问的寄存器只有你这里才有啊 ， 我就是一个比你慢100倍的存储器而已！”。
7.2
多个程序最近在内存中运行的挺好，阿甘没法闲下来喝茶了， 经常是一个还没运行完，很快就切换到另外一个。
那些程序也都是好事之徒，听说了这个新的系统，都拼了命，挤破头的往内存中钻。
内存很小，很快就会挤满， 操作系统老大忙于调度，也是忙的不可开交。
更有甚者，程序开始越长越大，有些图形处理的程序，还有些什么叫Java的程序，动不动就要几百M内存， 就这还嚷嚷着说不够。
操作系统头都大了，把CPU和内存叫来商量。
“世风日下，人心不古啊” 内存一边叹气一遍说 “原来批处理的时候那些程序规规矩矩的，现在是怎么了？”
“这也不能怪那些程序， 现在硬件的确比原来好多了，内存，你原来只有几十K, 现在都好几G了， CPU在摩尔定律的关照下，发展的更快，每隔18个月，你的速度就翻一翻” 操作系统老大说。
“那也赶不上这些程序的发展速度，他们对我要求越来越高， 可是把我累坏了” CPU垂头丧气的。
“我们还是考虑下怎么让有限的内存装下更多的程序吧”
“我有一个提议” 阿甘说 “对每个程序，不要全部装入内存，要分块装载，例如先把最重要的代码指令装载进来，在运行中按需装载别的东西。”
内存嘲笑说： “阿甘， 看来你又想偷懒喝茶了，哈哈， 如果每个程序都这样，I/O操作得多频繁， 我和硬盘累死， 你就整天歇着吧”
阿甘脸红了， 沉默了。
“慢着”老大说“阿甘，你之前不是发现过什么原理嘛， 就是从几千亿条指令中总结出的那个， 叫什么来着？”
“噢，那是局部性原理， 有两个：
(1) 时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行； 如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。
(2) 空间局部性：指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后。其附近的存储单元也将被访问。“
“这个局部性原理应该能拯救我们， 阿甘， 我们完全可以把一个程序分成一个个小块，然后按块来装载到内存中，由于局部性原理的存在， 程序会倾向于在这一块或几块上执行， 性能上应该不会有太大的损失。”
“这能行吗？ ” 内存和阿甘不约而同的问。
“试一试就知道了，这样我们把这一个个小块叫做页框（page frame）， 每个暂定4k大小， 装载程序的时候也按照页框大小来进行。”
实验了几天， 果然不出老大所料， 那些程序在大部分时间真的只运行在几个页框中， 于是这种分块装载的方式就确定下来了。
7.3
“既然一个程序可以用分块的技术逐步调入内存，而不太影响性能， 那就意味着，一个程序可以比实际的内存大的多啊！”
阿甘躺在床上，突然间想到这一层， 心头突突直跳， 这绝对是一个超级想法。
“我们可以给每个程序都提供一个超级大的空间，例如4G，只不过这个空间是虚拟的， 程序中的指令使用的就是这些虚拟的地址，然后我的MMU把它们映射到真实的物理的内存地址上， 那些程序们浑然不觉，哈哈，实在是太棒了”
内存听说了这个想法，惊讶的瞪大了双眼： “阿甘，你疯了吧！”
“阿甘的想法是有道理的” 老大说 “只是我们还要坚持一点， 那就是分块装入程序， 我们把虚拟的地址也得分块，就叫做页（page）, 大小和物理内存的 页框一样， 这样好映射。”
“老大，看来你又要麻烦了， 你得维持一个页表， 用来映射虚拟页面和物理页面”
“不仅如此， 我还得记录一个程序那些页已经被装载到了物理内存， 那些没有被装载，如果程序访问了这些没被装载的页面，我还得从内存中找到一块空闲的地方， 如果内存已满， 只好把现有的页框置换一个到硬盘上了， 可是，怎么确定那个物理内存的页框可以置换呢？ 唉， 又涉及到很多复杂的算法，需要大费一番周折。 你看看，老大不是这么容易当的。”
内存想起来一个问题： “如果程序运行时，每次都得查页表来获得物理的内存页， 而页表也是在内存里， 而我比你慢100倍， 你受得了吗， 阿甘？”
阿甘笑了： “这个问题其实我也考虑了，所以我打算增强我的内存管理单元， 把那些最常访问的页表项放到缓存里， 这样不就快了吗。 ”
内存想想也是， 还是局部性原理， 太牛了。
7.4
分页系统运行了一段时间以后， 又有程序表示不爽了，这些程序嚷嚷着说：
“你们能不能把程序“分家”啊， 例如代码段，数据段，堆栈段，这多么自然， 并且有利于保护，要是程序试图去写这个只读的代码段， 立刻就可以抛出保护异常！”
还有程序说：“页面太小了，实在不利于共享，我和哥们共享的那个图形库， 高达几十M , 得分成好多页来共享，太麻烦了，你们要是做一个共享段该多好！”
......
这样的聒噪声多了， 大家都不胜其烦， 那就“分家”吧。
当然对每个程序都需要标准化， 一个程序被分成代码段，数据段和堆栈段等， 操作系统老大记录下每个段的开始和结束地址，每个段的保护位。
但是在每个段的内部，仍然按分页的系统来处理，除了页表之外，操作系统老大又被迫维护了一个段表这样的东西 。
一个虚拟的内存地址来了以后，首先根据地址中的段号先找到相应的段描述表， 其中有页表的地址， 然后再从页表中找到物理内存， 过程类似这样：
所有事情都设置好了， 大家都喘了口气，觉得这样的结构大家应该没什么异议了。
老大心情大好，觉得一切尽在掌握，他笑着对CPU阿甘说：
“阿甘，从今天开始，如果有程序想非法的访问内存，例如一个不属于他的段， 我就立刻给他一个警告：Segmentation Fault !”
阿甘说：“那程序收到Segmentation Fault以后怎么处理？”
老大说： “通常情况下就被我杀死， 然后给他产生一个叫core dump的尸体，让那些码农们拿走分析去吧!”
7.5
“我（薪水计算程序）要想进入内存执行，必须得通过操作系统来装载，但是操作系统他就是个大骗子！”
“第一，他和CPU阿甘狼狈为奸，营造了一个假象，让我们以为每个程序都可以使用３Ｇ的巨大空间，但实际上那只是虚拟的！我们使用的内存实际上少得可怜！操作系统用一个数据结构（页表）把我的代码/数据在硬盘的位置记录下来，等到真正运行的时候临时装载。”
“第二，他不是把你这个程序一下子全部装入物理内存，而是把你大卸八块，用他的术语讲，叫做页面（page)，然后分页按需装入内存，注意，他不是连续装入的，有时候先装入这一块，有时候先装入那一块，最后你都不知道自己身体的各个部位在内存的什么地方，绝对是痛不欲生。”
“第三，你以为在运行时独占CPU，别做梦了，操作系统通过分配时间片的方式，让我们这些程序，不，准确的来讲是进程来轮转执行，再加上一点进程调度的算法，时不时地把你踢出CPU。由于各个进程切换得非常快，给人类形成了一个假象，好像各个程序在同时执行一样。 你说他是不是个大骗子？”
