幾個概念

CPU、虛擬CPU

進程

內存、虛擬地址空間

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

1 Virtualizing the CPU

我們在Linux系統上運行C語言程序，體會一下虛擬化的意義。

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

// 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; }

這個程序很容易，需要運行的時候輸入一個參數，比如一個字符，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時間可以不用執行該進程，轉而執行其他進程。

注意，虛擬后的CPU，最終仍然要在真實物理CPU來執行，要想讓每個進程都得到執行，那就應該以合理的方式讓他們切換執行。

我們先運行一個進程試試看，輸入命令./cpu A1：

打印了4個A1，并且是每隔1s打印一個，這與我們的預期相符。

接下來，我們同時運行多個進程試試看，輸入命令./cpu A1 & ./cpu B2 & ./cpu C3 &

按照直觀的理解，不應該是

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

不應該是這樣嗎？但是看起來這3個進程并不是順序執行的，而是并發執行的，也就是它們趁著其他進程在sleep的時候，搶占了CPU去執行自己了（注意，我們假設計算機只有1個CPU，而且是單核的）。

這樣一來，就出現了圖中的亂序了。

我們也能充分的感受到，不要讓物理CPU閑著的重要理念，同時我們也能想象到，多個進程同時執行，就會涉及到更多的問題，如果是之前的順序執行，我們只需要進程1執行，其他等待–>進程1執行完成，進程2執行，其他等待–>進程2執行完成，進程3執行–>進程3執行完成。

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

為了避免這種問題，現代OS都采用了類似多道批處理的技術，正在執行的程序不執行時，其他程序會進入CPU執行，而不會允許CPU空閑，要榨干CPU！

就如上面的程序，當一個進程sleep的時候，其他進程就會進入CPU執行，但是，具體如何執行，取決于OS的調度程序，取決于OS設計的策略，所以目前我們還不能得知它具體是如何運作的（也許你可以查看Linux內核，不過如果你有此能力，就不會看見這篇文章了）。

1.1 補充：實例中的C語言知識

以下請自學

1.1.1 main函數參數，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; }

運行程序./mem

運行多個進程：./mem & ./mem & ./mem &

這里，我們依然能夠看到的是虛擬化CPU，不過，虛擬化內存在哪里呢？目前還看不出來，因為Linux默認是啟動地址空間隨機化的，這樣會讓系統更安全，不易受到攻擊，不過為了展現虛擬化內存，我們應該關掉它。

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

我們可以看到，三個進程居然地址完全一樣！按理說，1個地址只能對應1個進程，所以，你就能體會到虛擬地址空間的含義了，這并不是真實的物理地址，它會通過某種機制，映射到真實物理地址去。

3 Sharing Disk Information

還記得我們剛才的兩個程序嗎？他們同時啟動了多個進程，并且，這幾個進程是同一個程序，也就是說，同一個存儲在磁盤的文件，被多次讀取到了內存，這也就意味著，磁盤信息是可以被同時多次讀取的，我們也可以說，這幾個進程共享了一個磁盤文件。

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思考：為什么內存和CPU要虛擬化為多個，而磁盤卻是共享的？

• 進程是運行中的程序，它是“活的；
• 程序是靜止在磁盤中的指令和數據，它是“死的”。

對于正在運行的進程來說，我們需要為其獨立地分配一整套生態系統，保證它正常執行，并且每個程序運行時候的結果可能不同，所以，就虛擬地提供了CPU和地址空間，讓它們是相互獨立的；而對于靜止的指令和數據來說，完全沒有必要虛擬成多份，那反而是浪費空間，當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，或者被其他數據覆蓋掉了。

4 Concurrency

虛擬化對應的是進程，而并發對應的不僅僅是OS的進程，在OS之上的應用程序，也存在并發的問題，他就是多線程編程；虛擬化讓一個CPU能并發地執行多個進程，而一個進程，也能并發地執行多個線程。

你一定知道多線程編程，是的，就是那個，我們現在重新審視一下它。

// 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; }

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

我們進行測試：

對于輸入的參數N，輸出結果應該是2N（先知道事實，看不懂多線程程序沒有關系），但是最后兩個，當參數足夠大，比如5億的時候，結果就詭異了。

這是由于計數器的值的更新不是原子操作，他需要：

• 內存–>寄存器
• 寄存器遞增
• 寄存器–>內存

3個步驟，但是，這幾個步驟可能被其他操作打斷，這就造成了結果的詭異。關于原子操作以后再說。

5 小結

我們談了幾件事兒

• 物理CPU – 虛擬化CPU – 多進程并發
• 物理內存 – 虛擬地址空間 – 進程獨立地址空間
• 磁盤（持久性） – 文件系統 – 共享磁盤信息
• OS之上的并發：單個進程中的多線程

版權聲明

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

總結

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

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