對于人類來說，我們不喜歡拐彎抹角，喜歡更直接的東西，“有話直說”、“沒有中間商賺差價”、“簡潔的設(shè)計”等等，然而對于計算機，尤其是對內(nèi)存管理來說則恰恰相反，在這里"簡潔"的設(shè)計往往不是好的設(shè)計，這到底是什么意思呢?

我們在很早的文章中就提到過，內(nèi)存從本質(zhì)上將非常簡單，你可以將其想像成一個個的小盒子組成，每個小盒子要么能存儲1要么存儲0，每8個小盒子組成一個字節(jié)(8比特)，每個字節(jié)都有一個唯一的地址，通過這個地址我們就能從相應(yīng)的一組小盒子取出這個比特。

其它沒了。

看到了吧，內(nèi)存本身其實是非常簡單的，然而程序員以及程序使用內(nèi)存的方式又讓這個問題變得復(fù)雜起來，分析任何復(fù)雜問題都要抓住重點、抓住核心問題，那么這里的重點以及核心是什么呢?不賣關(guān)子，這里的核心在于兩個字：尋址，Addressing。一切都是圍繞尋址展開的。

尋址，最重要的就是尋址

什么是尋址 Addressing?所謂尋址就是找到內(nèi)存中某個我們需要的數(shù)據(jù)的方式。

哪怕以我們平時去儲物柜取東西都有很多“尋址”方式：

• 直接告訴我們一個編號，我們拿到這個編號后按個去找，就像下面這張圖，我們需要找到東西在第15號儲物柜中，那么我們根據(jù)15這個地址就能找到第15號儲物柜。

• 當(dāng)然我們也可以將儲物柜劃分區(qū)域，還是以剛才的儲物柜為例我們可以劃分為3個區(qū)域，當(dāng)我們需要找東西時告訴我們其在儲物柜的哪個區(qū)域，以及在該區(qū)域中的"偏移"是多少。

以下圖為例我們需要的東西在第二個區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的偏移為6(該區(qū)域中的第6個儲物柜)。

實際上，第一種更像是“絕對尋址”，什么意思呢?就是找到某個具體的儲物柜是根據(jù)一個“寫死的地址”(hardcode)，很死板，第二種更像是相對尋址，稍顯靈活一些。怎么樣，你是不是感覺這兩種其實也沒什么區(qū)別嘛，的確，對于找儲物柜這個例子來說這兩種方式的確沒什么區(qū)別，但對于內(nèi)存來說就不太一樣了。

死板 vs 靈活

我們知道程序以及程序使用的數(shù)據(jù)編譯好后存放在磁盤上，運行時要加載到內(nèi)存中，因此這里同樣存在尋址問題：我們需要根據(jù)內(nèi)存地址找到機器指令以及數(shù)據(jù)，接下來假設(shè)有一個只有8字節(jié)大小的內(nèi)存和一個只有2字節(jié)機器指令的程序(無需關(guān)心實際意義)：

這段2字節(jié)的代碼非常簡單，其實就是一個無意義的while循環(huán)，注意看這里的jmp這條指令，我們直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存地址2，這就是一個寫死(hard

code)的內(nèi)存地址，這就意味著我們必須把該程序加載到內(nèi)存地址為2的位置上：

否則這段指令根本沒有辦法運行，比如我們把這段代碼加載到內(nèi)存地址6上去：

那么在執(zhí)行jmp 2時我們根本沒有辦法跳轉(zhuǎn)到add這行指令，有的同學(xué)可能覺得無所謂，不就是內(nèi)存地址寫死了嘛，好像也沒什么大不了的吧。

如果一次只能運行一個程序的確也沒什么大不了的，但對于操作系統(tǒng)最核心的功能之一：多任務(wù)，也就是一次可以運行多個程序來說這個方案簡直行不通。

在這種方案下你幾乎沒有辦法一次運行多個程序，除非在運行之前你給要運行的這幾個程序劃定好區(qū)域，比如要運行兩個程序A和B，A占用0~3這個區(qū)域的內(nèi)存;B占用4~6這個區(qū)域的內(nèi)存，對于現(xiàn)代程序員來說你能想象在程序運行之前就需要給它劃定好區(qū)域嗎?顯然，這非常繁瑣，也容易出錯。

如果你在上世紀(jì)六七十年代寫代碼，面臨的大概就是這樣一種狀況。實際上這個問題的核心就在于重定位，程序使用的地址不能綁定在一個內(nèi)存區(qū)域上，需要足夠靈活，我們需要在不修改代碼的情況下把程序加載到任意內(nèi)存區(qū)域上運行!想一想該怎么解決這個問題。

作為程序員肯定和文件路徑打過交道，如果你能明白絕對路徑與相對路徑就能解決重定位問題。

絕對路徑與相對路徑

想一想絕對地址有什么問題?這個問題就好比你在程序中讀取一個絕對地址時：

/user/xiaofeng/doc/a.c

如果是你自己的計算機那么沒有問題，但如果這個程序在其它人的計算機上運行就不一定了，因為其它人的計算機中不一定有這個路徑，這時該怎么辦呢?聰明的你一定知道，那就不要使用絕對路徑，而是使用相對路徑就可了：

./a.c

其中./表示程序運行時所在的路徑，這時不管這個程序在哪個路徑下運行都能找到a.c這個文件，這時所在的目錄就成為了基準(zhǔn)。

解決重定位這個問題也是同樣的道理，編程生成可執(zhí)行程序時不再使用絕對內(nèi)存地址，而是使用相對地址，怎么使用相對地址呢?相對于誰呢?很簡單，相對于該程序被加載到的內(nèi)存起始地址。

此時我們的jmp命令后面不再是一個絕對的內(nèi)存地址，而是一個相對地址：0，但畢竟向內(nèi)存發(fā)出讀寫指令時必須使用一個內(nèi)存地址，那么CPU執(zhí)行jmp 0時該怎樣將其轉(zhuǎn)為一個內(nèi)存地址呢?

很簡單，因為這一段程序被加載到了內(nèi)存起始地址2，因此只需要用相對地址加上起始地址得到的就是真實的物理內(nèi)存地址：

• 物理地址 = 起始地址 + 相對地址

很簡單吧，這樣不管這段程序被加載到了哪個內(nèi)存區(qū)域，只要我們知道起始地址那么總能計算出真實的物理內(nèi)存地址，重定位問題就可以這樣解決。實際上你會發(fā)現(xiàn)，這個儲物柜的第二種尋址方式也沒有什么區(qū)別。

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(xué)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(dāng)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。

而這個問題在內(nèi)存地址沒有任何保護情況下更加嚴(yán)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(dāng)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(jì)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(jì)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(dāng)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：

• 把物理內(nèi)存暴露給程序
• 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(dāng)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(dāng)下以及未來。