幾個(gè)概念

CPU、虛擬CPU

進(jìn)程

內(nèi)存、虛擬地址空間

• 物理的CPU被OS虛擬成了多個(gè)虛擬的CPU，這些虛擬CPU分別運(yùn)行各自的程序，這些正在運(yùn)行的程序被稱為進(jìn)程。
• 物理內(nèi)存被OS虛擬成了多個(gè)虛擬地址空間，每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的、自己的地址空間，程序的指令和數(shù)據(jù)都在地址空間中
• 磁盤被OS虛擬化為文件系統(tǒng)，文件是被多個(gè)程序共享的，它并不是多個(gè)虛擬的磁盤，不過也不是無條件共享，涉及到例如互斥共享等多個(gè)問題，以后再談。

1 Virtualizing the CPU

我們在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行C語言程序，體會(huì)一下虛擬化的意義。

Windows對多用戶的支持不是很好，相關(guān)的系統(tǒng)API可能也沒有，推薦適用Linux或Unix系統(tǒng)。

// cpu.c

#include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/time.h> #include <assert.h>int main(int argc,int *argv[]){if(argc != 2){fprintf(stderr,"usage:cpu <string>\n");exit(1);}char *str = argv[1];for(int i = 0;i < 4;i++){sleep(1);printf("%s\n",str);}return 0; }

這個(gè)程序很容易，需要運(yùn)行的時(shí)候輸入一個(gè)參數(shù)，比如一個(gè)字符，值得解釋的是sleep(1)，也就是讓程序暫停1秒，這非常重要，這意味著物理的CPU在這1s時(shí)間可以不用執(zhí)行該進(jìn)程，轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他進(jìn)程。

注意，虛擬后的CPU，最終仍然要在真實(shí)物理CPU來執(zhí)行，要想讓每個(gè)進(jìn)程都得到執(zhí)行，那就應(yīng)該以合理的方式讓他們切換執(zhí)行。

我們先運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程試試看，輸入命令./cpu A1：

打印了4個(gè)A1，并且是每隔1s打印一個(gè)，這與我們的預(yù)期相符。

接下來，我們同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程試試看，輸入命令./cpu A1 & ./cpu B2 & ./cpu C3 &

按照直觀的理解，不應(yīng)該是

A1
A1
A1
A1
B2
B2
B2
B2
C3
C3
C3
C3

不應(yīng)該是這樣嗎？但是看起來這3個(gè)進(jìn)程并不是順序執(zhí)行的，而是并發(fā)執(zhí)行的，也就是它們趁著其他進(jìn)程在sleep的時(shí)候，搶占了CPU去執(zhí)行自己了（注意，我們假設(shè)計(jì)算機(jī)只有1個(gè)CPU，而且是單核的）。

這樣一來，就出現(xiàn)了圖中的亂序了。

我們也能充分的感受到，不要讓物理CPU閑著的重要理念，同時(shí)我們也能想象到，多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行，就會(huì)涉及到更多的問題，如果是之前的順序執(zhí)行，我們只需要進(jìn)程1執(zhí)行，其他等待–>進(jìn)程1執(zhí)行完成，進(jìn)程2執(zhí)行，其他等待–>進(jìn)程2執(zhí)行完成，進(jìn)程3執(zhí)行–>進(jìn)程3執(zhí)行完成。

也就是說，我們只需要等著一個(gè)程序執(zhí)行完，再執(zhí)行其他程序，這樣很簡單，但是效率非常低，比如，如果正在執(zhí)行的程序不使用CPU，去“sleep”了，或者去找I/O設(shè)備“玩”了，CPU就只能呆著，其他程序也不能進(jìn)來執(zhí)行，CPU利用率很低。

為了避免這種問題，現(xiàn)代OS都采用了類似多道批處理的技術(shù)，正在執(zhí)行的程序不執(zhí)行時(shí)，其他程序會(huì)進(jìn)入CPU執(zhí)行，而不會(huì)允許CPU空閑，要榨干CPU！

就如上面的程序，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程sleep的時(shí)候，其他進(jìn)程就會(huì)進(jìn)入CPU執(zhí)行，但是，具體如何執(zhí)行，取決于OS的調(diào)度程序，取決于OS設(shè)計(jì)的策略，所以目前我們還不能得知它具體是如何運(yùn)作的（也許你可以查看Linux內(nèi)核，不過如果你有此能力，就不會(huì)看見這篇文章了）。

1.1 補(bǔ)充：實(shí)例中的C語言知識(shí)

以下請自學(xué)

1.1.1 main函數(shù)參數(shù)，argc和argv

1.1.2 fprintf()

1.1.3 sleep()

2 Virtualizing Memory

我們先上代碼

// mem.c

#include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h>int main(int argc,int *argv[]){int *p = malloc(sizeof(int)); // assert(p != NULL);printf("(%d) memory address of p: %08x\n",getpid(),(unsigned)p);*p = 0;for(int i = 0;i < 4;i++){sleep(1);*p = *p + 1;printf("(%d) p: %d\n",getpid(),*p);}return 0; }

運(yùn)行程序./mem

運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程：./mem & ./mem & ./mem &

這里，我們依然能夠看到的是虛擬化CPU，不過，虛擬化內(nèi)存在哪里呢？目前還看不出來，因?yàn)長inux默認(rèn)是啟動(dòng)地址空間隨機(jī)化的，這樣會(huì)讓系統(tǒng)更安全，不易受到攻擊，不過為了展現(xiàn)虛擬化內(nèi)存，我們應(yīng)該關(guān)掉它。

輸入命令sysctl -w kernel.randomize_va_space=0，再輸入./mem & ./mem & ./mem &

我們可以看到，三個(gè)進(jìn)程居然地址完全一樣！按理說，1個(gè)地址只能對應(yīng)1個(gè)進(jìn)程，所以，你就能體會(huì)到虛擬地址空間的含義了，這并不是真實(shí)的物理地址，它會(huì)通過某種機(jī)制，映射到真實(shí)物理地址去。

3 Sharing Disk Information

還記得我們剛才的兩個(gè)程序嗎？他們同時(shí)啟動(dòng)了多個(gè)進(jìn)程，并且，這幾個(gè)進(jìn)程是同一個(gè)程序，也就是說，同一個(gè)存儲(chǔ)在磁盤的文件，被多次讀取到了內(nèi)存，這也就意味著，磁盤信息是可以被同時(shí)多次讀取的，我們也可以說，這幾個(gè)進(jìn)程共享了一個(gè)磁盤文件。

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思考：為什么內(nèi)存和CPU要虛擬化為多個(gè)，而磁盤卻是共享的？

• 進(jìn)程是運(yùn)行中的程序，它是“活的；
• 程序是靜止在磁盤中的指令和數(shù)據(jù)，它是“死的”。

對于正在運(yùn)行的進(jìn)程來說，我們需要為其獨(dú)立地分配一整套生態(tài)系統(tǒng)，保證它正常執(zhí)行，并且每個(gè)程序運(yùn)行時(shí)候的結(jié)果可能不同，所以，就虛擬地提供了CPU和地址空間，讓它們是相互獨(dú)立的；而對于靜止的指令和數(shù)據(jù)來說，完全沒有必要虛擬成多份，那反而是浪費(fèi)空間，當(dāng)然這是針對讀取而言，寫入還需要視情況，不過整體來說，讀取信息是及其場景的，將磁盤設(shè)為共享也是合理的。

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另外要談的是，磁盤文件必須通過軟件和硬件協(xié)作的方式，使其持久地保存，而不是很快就消失了，或者被其他數(shù)據(jù)覆蓋掉了。

4 Concurrency

虛擬化對應(yīng)的是進(jìn)程，而并發(fā)對應(yīng)的不僅僅是OS的進(jìn)程，在OS之上的應(yīng)用程序，也存在并發(fā)的問題，他就是多線程編程；虛擬化讓一個(gè)CPU能并發(fā)地執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程，也能并發(fā)地執(zhí)行多個(gè)線程。

你一定知道多線程編程，是的，就是那個(gè)，我們現(xiàn)在重新審視一下它。

// threads.c

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h>volatile int counter = 0; int loops;void *worker(void *arg) {int i;for (i = 0; i < loops; i++) {counter++;}return NULL; }int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {fprintf(stderr, "usage: threads <value>\n");exit(1);}loops = atoi(argv[1]);pthread_t p1, p2;printf("Initial value : %d\n", counter);pthread_create(&p1, NULL, worker, NULL);pthread_create(&p2, NULL, worker, NULL);pthread_join(p1, NULL);pthread_join(p2, NULL);printf("Final value : %d\n", counter);return 0; }

我們進(jìn)行編譯gcc threads.c -o threads -lpthread，注意，<pthread.h>不是Linux默認(rèn)的庫，編譯鏈接需要加上參數(shù)-lpthread，也就是需要鏈接額外的Import Library：libpthread.a。

我們進(jìn)行測試：

對于輸入的參數(shù)N，輸出結(jié)果應(yīng)該是2N（先知道事實(shí)，看不懂多線程程序沒有關(guān)系），但是最后兩個(gè)，當(dāng)參數(shù)足夠大，比如5億的時(shí)候，結(jié)果就詭異了。

這是由于計(jì)數(shù)器的值的更新不是原子操作，他需要：

• 內(nèi)存–>寄存器
• 寄存器遞增
• 寄存器–>內(nèi)存

3個(gè)步驟，但是，這幾個(gè)步驟可能被其他操作打斷，這就造成了結(jié)果的詭異。關(guān)于原子操作以后再說。

5 小結(jié)

我們談了幾件事兒

• 物理CPU – 虛擬化CPU – 多進(jìn)程并發(fā)
• 物理內(nèi)存 – 虛擬地址空間 – 進(jìn)程獨(dú)立地址空間
• 磁盤（持久性） – 文件系統(tǒng) – 共享磁盤信息
• OS之上的并發(fā)：單個(gè)進(jìn)程中的多線程

版權(quán)聲明

本文是讀書筆記，來自于書籍《Operating System：Three Easy Pieces》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【操作系统】虚拟化CPU、Memory，共享文件的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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