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作者：老劉
我是CPU, 他們都叫我阿甘， 因為我和《阿甘正傳》里的阿甘一樣， 有點傻里傻氣的。上帝把我制造出來， 給我了一個很小的腦容量， 為數(shù)不多的寄存器能臨時的記一點東西， 但是上帝給我打開了一扇特別的窗戶， 那就是像阿甘一樣，跑的飛快。到底有多快呢？ 我這么比喻一下吧， 我的工作都是以納秒為單位的， 你們人間的一秒， 我可能已經(jīng)做了1000,000,000 （10億）次動作了。相比而言， 內存比我慢100倍， 硬盤比我慢1000多萬倍， 你說我快不快？我住在一個機箱里，每天早上一陣電流把我叫醒， 還夾雜著嗡嗡的聲音， 我知道我忠實的護衛(wèi)電風扇又開始工作了， 我特別怕熱， 又運行的飛快， 如果沒有電風扇給我降溫， 我很快就會生病， 生病的后果很嚴重， 那就是我的伙伴們像內存了，硬盤了。。全部都要罷工了， 沒有我這個系統(tǒng)就會陷入的一片死寂。我聽說有些CPU的福利很好，竟然待在恒溫恒濕，一塵不染的托管機房里，讓我好生羨慕。我的腦容量很小， 所以醒來后只想起了我的創(chuàng)造者告訴我的幾件事情 ：3. 你的第一條指令在內存的最頂端處0xFFFFFFF0那還有什么可說的， 趕緊打電話給內存要指令，電話通過系統(tǒng)總線， 還得通過I/O橋電話局需要轉接一下， 再通過存儲總線接通 內存。 '你是誰？' 內存竟然把我忘了， 當然，他斷了電和我一樣，失憶了。'我是阿甘啊， 我們經(jīng)常聊天來著， 你忘了？'內存磨磨唧唧半天才把數(shù)據(jù)發(fā)了過來（比我慢100倍啊）， 這是一條跳轉指令， 我立刻回憶起來了， 這是我的老朋友BIOS 等著我去運行他那一堆指令呢。“阿甘，早上好 ' BIOS從不失憶，把所有人都記得清清楚楚 “ 還不是老一套啊，無非做一下系統(tǒng)的自檢， 看看內存，硬盤，顯卡等這些老伙計們有沒有問題， 有問題的話用小喇叭提示一下主人 ”這些過程我已經(jīng)輕車熟路了， 很快搞定， 像往常一樣，沒有問題， 我還把一個叫做中斷向量表的東西給弄好了， 我知道一會而要用這些東西都搞完了，BIOS果然告訴: '阿甘， int 0x19'我趕緊去剛弄好的中斷向量表中去查第19號， 順藤摸瓜又找到對應0x19的一大堆指令。執(zhí)行吧， 這堆指令把將磁盤的第一扇區(qū)（磁盤最開始的512字節(jié)）運到內存的0X0000:0X7C00處，然后我就從此處接著執(zhí)行。我想起來了， 接下來有一大堆精巧的指令把迷迷糊糊的操作系統(tǒng)從硬盤中喚醒， 運輸?shù)絻却嬷衼怼?/section>你看這就是為啥他們叫我阿甘， 我做事飛快，但非得別人告訴去哪里執(zhí)行才行， 要不然我就只會坐在那里無所適從。操作系統(tǒng)一旦進入內存，立刻就是老大， 所有人都得聽他指揮。我也發(fā)現(xiàn)我的周圍出現(xiàn)了一個屋子：進程屋屋里堆著一大堆東西， 什么進程描述信息包裹了， 進程控制信息包裹了， 我都不太關心， 我只關心最最重要的兩件東西：1. 我工作必備的寄存器， 就放在我面前的工作臺上。2. 程序計數(shù)器， 我用它記住我要執(zhí)行的下一條指令地址。'阿甘， 別來無恙啊' , 操作系統(tǒng)對我還是挺不錯的， 先給我打招呼。'Linux老大， 今天有什么活啊'， 我每次都表現(xiàn)的積極主動。'來，把這個hello world 程序給運行了'Hello world 程序還在硬盤上睡著呢， 得先把他也裝載到內存里， 要不然我怎么執(zhí)行啊。于是我就拿起電話打給硬盤， 電話通過系統(tǒng)總線來到IO橋電話局， 再轉接到IO總線，這才來到硬盤這里。 我在電話里請他把數(shù)據(jù)給我運過來， 然后我就無所事事的坐在那里等。Linux 老大立刻就怒了 ： 阿甘， 告訴你多少次了， 你小子怎么還在等硬盤給你發(fā)數(shù)據(jù)！是的， 我忘了一件事，硬盤比我慢太多了， 我執(zhí)行一條指令大概是1ns ，在用來讀磁盤的16ms里， 我能潛在的執(zhí)行1600多萬條指令啊。我感到深深的愧疚， 趕緊拿起電話打給硬盤 ： 哥們， 按我們之前商量好的，用直接內存訪問（DMA）啊， 你直接把數(shù)據(jù)裝載到內存吧， 不用經(jīng)過我了， 裝載完成以后給我發(fā)個信號。“阿甘，數(shù)據(jù)還沒來， 別閑著， 這有一個菲波那切數(shù)列數(shù)列， 來算一下吧”'肥波納妾數(shù)列? 這名字好古怪，老大， 其實你也知道， 我腦子小，懶得去理解那是啥意思， 你把進程屋切換下，把程序計數(shù)器設置好，指向下一條指令， 我一條條指令執(zhí)行就得了“ 我挺沒追求的。我所處的進程屋立刻發(fā)生了變化（當然，這也是我輔助Linux老大干的）， 各種包裹的信息都變了， 尤其是寄存器和程序計數(shù)器。于是我就開始計算這個什么納妾數(shù)列 ，但是這個數(shù)列似乎無窮無盡， 哪個無腦子的程序員寫了個無限循環(huán)吧。正在這時， 我便收到了一個電話， 說是Helloworld的數(shù)據(jù)已經(jīng)裝載到內存了， 讓我去處理。我放下手中的活， 保存好現(xiàn)場， 就去處理那個Helloworld, 果然數(shù)據(jù)已經(jīng)都好了， 那就切換過去運行吧。其實老大并不知道， 任何人，只要你運行了相當多的數(shù)量的指令以后， 你都能悟到這些程序的秘密。 我CPU阿甘雖然傻傻的， 但也架不住執(zhí)行這數(shù)以萬萬億的指令給我的熏陶啊。這個秘密就是：程序都是由順序，分支，循環(huán)來組成的。 其實分支和循環(huán)在我看來都是跳轉而已。所以我的工作就是打電話問內存要一條指令， 執(zhí)行這個指令， 如果是個跳轉指令的話，我就問內存要跳轉的目標地址的那一條指令， 繼續(xù)執(zhí)行， 生活就是這么簡單。奧對了， 當然也有復雜的， 就是函數(shù)調用， 我得和內存緊密配合才能完成。 這個咱下回再說。提到內存， 這真是我的好哥們， 沒有他，我?guī)缀跏裁词聝憾几刹怀桑?更重要的是他比硬盤快的多， 讀取一次數(shù)據(jù)， 只需要 100 納秒左右。 這樣我們倆說起話來就輕松多了。每次他都說： '阿甘， 幸虧有你給我聊天， 要不然我肯定被活活的悶死不可， 那個硬盤說話是在太慢了''硬盤是個機械是的玩意， 一個磁頭在一碟高速旋轉的磁片上挪來挪去，光定位就慢死了''人家雖然慢， 但是不怕停電， 哪像你和我，一停電全部都失去記憶了。'我的指令中有些完全用我的寄存器就能完成， 但是有很多都需要讀寫內存的數(shù)據(jù)， 再加上所有的指令都在內存中存著， 雖然它只比我慢個100倍， 但指令多了我還是有點受不了。內存說： 拜托， 這已經(jīng)是我的極限了， 阿甘， 你自己再想想辦法吧 ！ 我給你說啊， 我留意了你最近訪問的指令和數(shù)據(jù)， 我發(fā)現(xiàn)了個規(guī)律“'比如說吧， 你訪問了我一個內存位置以后過不多久還會多次訪問， 還有，一個內存位置被訪問了， 附近的位置很快也會訪問到'（碼農(nóng)翻身注： 這其實叫程序的局部性原理）我還以為是啥規(guī)律， 其實我早就注意到了。'這有啥用?。俊?/section>'既然你經(jīng)常訪問同一塊區(qū)域的東西， 你想想如果把這些東西緩存在你那里會怎么樣.... '從此以后，我每次讀寫指令和數(shù)據(jù)， 都問緩存要， 緩存沒有才給內存打電話。果然， 由于局部性原理的存在， 我發(fā)現(xiàn)的確是快了不少啊。當然也有缺點， 那就是Linux老大在做程序切換的時候， 緩存就會失效，因為兩個程序之間沒什么聯(lián)系，局部性原理不起作用， 所以需要重建緩存。緩存讓我的工作更有效率， 得到了Linux老大的表揚：'阿甘， 我看你很聰明嘛， 都會用緩存了''我哪有那么聰明，都是內存的點子。老大，不過我學會了一個重要的東西 ：當你改變不了別人的話，抱怨也沒用， 還是先改變一下自己吧''挺有哲理的嗎， 希望你明天重啟后還能想起來' Linux老大笑話我。'我最近又發(fā)現(xiàn)了一個問題， 正苦惱著呢， 你看我有四只手， 第一只手負責打電話問內存要指令， 第二只手翻譯指令， 第三只手真正執(zhí)行， 第四只手有時候還得把結果寫回內存。 問題是， 我發(fā)現(xiàn)經(jīng)常只有一只手在忙活， 其他都在閑著， 你看第一只手取指令， 其他手只能等著。 第二只手翻譯指令的時候，其他三只也得等“'看來以后我們不能叫你阿甘了， 你已經(jīng)開始思考了' Linux老大笑了 “這問題好解決， 給你舉個例子，你聽說過洗車沒有？ 和你差不多， 也是先噴水， 再打洗潔劑， 再擦洗， 最后烘干， 但人家的工作方式和你不一樣，人家是流水線作業(yè)， 你想想， 一輛車在烘干的時候， 后邊是不是還有三輛車，分別在噴水， 打清潔劑 和擦洗 ， 每個步驟都不會空閑。 ”'這么簡單的道理我怎么都沒有想到呢？ 我也可以搞個流水線啊， 這樣每只手都利用起來了'別人都說我們高科技， 但其實原理都蘊含在生活之中啊。 有了緩存和流水線的幫助， 讓我的工作大大的加快了，大家都對我刮目相看?！∷麄兿虢o我起個新名字：超人 ， 不過我還是更喜歡 他們叫我“阿甘”， 多親切。
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