分段式內(nèi)存管理

我們知道，程序的內(nèi)存從內(nèi)容上可以分為存放機器指令的代碼區(qū)域、存放全局變量的數(shù)據(jù)區(qū)域、保存函數(shù)運行時信息的棧區(qū)等，顯然我們可以將程序按照這種劃分進行分段管理，段內(nèi)使用相對地址，這樣無論這些段被加載到內(nèi)存的哪個區(qū)域我們都能方便的計算出正確的物理內(nèi)存地址。

我們將各個段在內(nèi)存中的起始地址放到專用的寄存器中，X86 CPU中有這樣幾個段寄存器，CS、DS、SS以及ES，這些寄存器有什么用呢？這幾個寄存器就用來存放各個段在內(nèi)存中的起始地址(暫且這樣理解，稍后你會發(fā)現(xiàn)這些寄存器的真實用法)：

• 保存機器指令的區(qū)域，這個區(qū)域就是我們所說的代碼段(Code Segment)，因此我們可以使用一個寄存器來專門指向代碼段，這就是CS寄存器的作用，CS也是Code Segment的縮寫。
• 同樣的道理，程序運行起來后還有專門的區(qū)域用來保存數(shù)據(jù)，因此必須要專門的寄存器指向數(shù)據(jù)段(Data Segment)，這就是DS寄存器的作用，DS是Data Segment的縮寫。
• 程序運行起來后還有運行時棧(Stack Segment)，因此可以使用SS寄存器來指向程序員運行時棧，SS是Stack Segment的縮寫。
• 此外還有ES寄存器，Extra Segment，其用作臨時段寄存器。

除了內(nèi)存分段管理之外， 我們的程序可以讀寫任意內(nèi)存區(qū)域 ，有的同學可能不以為意，這又能怎樣呢？

沒有內(nèi)存保護會怎樣？

至今，在多線程編程中這個問題依然困擾著程序員，因為同一個進程中的線程共享同一個地址空間，這也就意味著你的線程可以修改地址空間中任何可寫的區(qū)域，包括棧區(qū)以及堆區(qū)，當然這也就意味著其它線程可以修改你的線程使用的數(shù)據(jù)，這是多線程中一大類bug的來源，關(guān)于這一部分的內(nèi)容你可以參考《線程間到底共享了哪些進程資源？》。

而這個問題在內(nèi)存地址沒有任何保護情況下更加嚴重，因為這時不是一個進程而是多有進程包括操作系統(tǒng)都共享同一個物理內(nèi)存地址，任何一個進程都可以修改內(nèi)存中任何位置，你的進程可以破壞其他進程使用的內(nèi)存，可以破壞操作系統(tǒng)使用的內(nèi)存，破壞其它進程大不了重新啟動這個進程，但是如果破壞了操作系統(tǒng)那么沒有辦法，此時你只能重新啟動計算機，如果CPU沒有提供內(nèi)存保護機制，那么操作系統(tǒng)連自己都保護不了更何況去保護其它進程。

沒想到吧，看似簡單直接的內(nèi)存讀寫竟然會有這么多問題。

實模式

好啦，到目前為止讓我們暫且總結(jié)一下。

• 絕對的內(nèi)存地址不好用，這樣的地址必須將程序加載到內(nèi)存的特定位置上，為解決這個問題使用相對地址，x86中為每個程序的區(qū)域都配備有專用的寄存器用來存放該段在內(nèi)存中的起始地址，這樣就可以根據(jù)基址加偏移計算出物理內(nèi)存地址，注意，這里計算出來的是真實的物理內(nèi)存地址。
• 內(nèi)存讀寫沒有任何保護，程序可以讀寫內(nèi)存的任何區(qū)域。

實際上這就是早前內(nèi)存管理的模式，非常直接非常原始，x86 CPU將這種原始的內(nèi)存管理方法稱之為實模式，real mode，這種模式也被稱之為 real address mode ，顧名思義，我們在程序中看到的都是真實的物理內(nèi)存地址。

原來，早期的x86 CPU能訪問的最大內(nèi)存被限制在1MB(2^20 byte)，你可能會想這可用內(nèi)存也太少了吧，對于當今程序員或者用戶來說1MB幾乎什么都干不了，哪怕都存不下一首歌，然而在上世紀80年代，1MB內(nèi)存是一片極為廣闊的空間，以至于比爾蓋茨在上世紀80年代說過：640k ought to be enough for anyone，對大部分人來說640K內(nèi)存已經(jīng)足夠用了。

除此之外，更加捉襟見肘的是早期x86 CPU寄存器只有16位，16位寄存器是沒有辦法訪問整個1MB內(nèi)存的，16位寄存器最多能訪問64K大小的內(nèi)存，要想訪問1MB內(nèi)存那么內(nèi)存地址就需要20位，而寄存器本身就16位，因此根本裝不下，怎么辦呢？

很簡單，一個寄存器不夠我們就用兩個，第一個寄存器被叫做selector，說白了其實存放的是儲物柜區(qū)域的編號，因此也叫做段寄存器， segment register，管叫做區(qū)域還是叫做段本質(zhì)上沒啥區(qū)別。

第二個寄存器被叫做offset，說白了就是區(qū)域內(nèi)的編號或者叫做區(qū)域內(nèi)的偏移，這樣真正的內(nèi)存地址就由兩部分組成 selector:offset ，此時內(nèi)存地址的計算方式是這樣的：

16 ? selector + offset

此時給定一個段寄存器再給出一個偏移我們就能直接在內(nèi)存中找到需要的數(shù)據(jù)：

因此這里計算出來的內(nèi)存地址就是物理內(nèi)存地址。

此外，在實模式下CPU不提供內(nèi)存保護機制，程序可以隨意讀寫任何內(nèi)存區(qū)域，哪怕是操作系統(tǒng)所在的區(qū)域其它程序也可以讀寫。

現(xiàn)在可以總結(jié)下早期x86處理器的特點了：

• 尋址空間有限，只有1MB
• 利用 selector:offset的方式利用兩個16位寄存器來尋址1MB內(nèi)存
• 沒有內(nèi)存保護機制，當然，沒有內(nèi)存保護機制的一大優(yōu)點就在于內(nèi)存讀寫速度要更快，原因就在于不需要經(jīng)過虛擬內(nèi)存地址到物理內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換，也不需要進行任何檢查(這可能是實模式下僅有的優(yōu)點)

在80286之前，所有x86 CPU都運行在實模式下，而為了后向兼容，即使是現(xiàn)代x86在重置(加電時)后也會首先進入實模式，后續(xù)才會跳轉(zhuǎn)到保護模式(protected mode)，關(guān)于保護模式我們在后續(xù)文章中講解。

實模式與操作系統(tǒng)

實模式是x86系列處理器最早期的內(nèi)存管理模式，這一時期的操作系統(tǒng)別無選擇，只能運行在這種模式下，早期的DOS系統(tǒng)以及早期的Microsoft Windows操作系統(tǒng)就運行在實模式下。

雖然實模式理解起來很簡單，但這種模式最主要的問題在于：

1. 把物理內(nèi)存暴露給程序
2. 沒有內(nèi)存保護機制

這兩者結(jié)合起來的后果就是 程序不被受限 ，程序員都知道，我們寫的代碼充滿了bug，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中程序很容易把自己搞掛，而在早期的操作系統(tǒng)中程序就會很容易的把整個系統(tǒng)搞掛，為解決這一問題，x86 CPU在80286開始引入保護模式，后續(xù)文章會有詳細講解。

盡管現(xiàn)代操作系統(tǒng)(Windows、Linux)等早已不運行在實模式下，然而實模式卻依然保留了下來，你可能會想為什么x86 CPU依然需要保留實模式呢？

我們都知道代碼有屎山一說，其實對于歷史悠久的x86來說也有類似的問題。

CPU這種硬件和軟件一樣也是在不斷演變進化的，從16位實模式演進到了32位保護模式以及現(xiàn)代的64位處理器，但早期程序員圍繞著16位實模式的x86CPU編寫了很多軟件，當CPU發(fā)展到32位保護模式時之前的基于16位實模式編寫的軟件該怎么辦？不支持了嗎？不支持的話只有兩種可能：1) 用戶不再購買不兼容16位軟件的CPU 2) 重寫代碼，以程序員的尿性來說大概率不會重寫，intel也非常識時務(wù)，因此在后來的32位乃至現(xiàn)代的64位處理器上依然保留了實模式，x86系列處理器在重置時會首先進入實模式，對于不使用實模式的現(xiàn)代操作系統(tǒng)來說簡單的初始化工作后會跳轉(zhuǎn)到保護模式。

因此我們可以看到，實模式就像原始的進化基因一樣依然存在，就像動物胚胎有腮一樣，只不過該過程一閃而過，實模式也是在計算機啟動階段快速閃現(xiàn)，這種古老的內(nèi)存管理方式依然留下了自己的烙印。

總結(jié)

實模式是一種非常古老的內(nèi)存管理方式，在這種方法下程序員直面物理內(nèi)存，且處理器沒有提供內(nèi)存讀寫機制，程序員可讀寫任何內(nèi)存區(qū)域。

實際上實模式對于現(xiàn)代操作系統(tǒng)來幾乎沒什么用處，只不過如果你針對x86 CPU編寫操作系統(tǒng)那么實模式是必須要了解的，但對于其它CPU來說則沒有這樣的歷史包袱，因此有很多操作系統(tǒng)教材開始基于非X86平臺來講解，這樣能更快速的講解操作系統(tǒng)而不是在一上來就在各種內(nèi)存模式中打轉(zhuǎn)。

注意，本文提到的實模式僅僅針對x86系列處理器而言，對于上層應(yīng)用的大部分程序員來說根本就不需要關(guān)心實模式，然而技術(shù)就和生物一樣也在不斷演變進化，了解過去才能更好的理解當下以及未來。