1990：种下那棵不落叶的树-第6集 圆明园的对话

故事大纲（45集微故事版）

核心设定

1. 作品信息：书名《1990：种下那棵不落叶的树》，文艺副标题《代码山河》；
2. 核心意象：以"树"【Linux】为核心，根系对应内核、枝干对应子系统、叶对应应用，"不落叶"寓意开源精神的永续；
3. 主角设定：叶知秋，32岁，名字取"一叶知秋"之意，暗含"从微小预知变革"的内涵；
4. 关键节点：穿越至1990年春天玉兰花刚开的北京；
5. 个人特质：随身携带《庄子》，以"庖丁解牛"喻内核优化；调试代码间隙爱吹口琴，最爱《莫斯科郊外的晚上》；厨艺精湛，常以"算法如做菜，火候即时机"教导学生；口头禅为"代码要写得像散文，机器能懂，人也能读"。

第6集 圆明园的对话

散步时讨论"永恒的系统"。叶知秋说内核应如石础，沈书影说文档应如碑文。

本集播客 ： 播客地址

下面是我个定制：

《1990：种下那棵不落叶的树 》两个版本的主题曲(大家评选一下):

她是一棵树 A版: 歌曲地址
她是一棵树 B版: 歌曲地址

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第6集：圆明园的对话

一、开篇：虚拟内存的第一次"窒息"

场景：1990年4月18日，清晨。北大机房。

屏幕上的错误信息像一记闷棍：

[内核恐慌]
原因：内存耗尽 (Out of Memory)
位置：kmalloc() @ memory.c:127
可用物理页：0
请求大小：4096 字节

叶知秋盯着这行字，已经二十分钟没动。

新来的两个实习生------清华的吴锐和中科院的李静------站在他身后，大气不敢出。

吴锐，21岁，瘦高，眼镜片厚得像瓶底，昨天刚报到就改了三处算法，把内存拷贝速度提升了15%。李静，22岁，马尾辫，说话轻声细语，但昨晚独自搞定了打印机的并口驱动。

此刻，连最聪明的吴锐也束手无策。

"问题在编辑器。"吴锐说，"用户打开大文件时，我们一次性把整个文件读进内存。沈叔叔打的诗只有两行，但如果有人想编辑《红楼梦》......"

"不可能。"叶知秋打断，"20MB硬盘装不下《红楼梦》。"

"但问题本质一样。"李静轻声说，"物理内存只有2MB可用（去除内核占用），一个大点的程序就占满了。剩下的程序怎么办？"

这正是"内存耗尽"的根源：叶知秋写了一个简单的命令行解释器（shell），用户可以在里面启动多个程序。但程序退出后，内存并未完全释放------他还没有实现完善的内存回收机制。

更本质的问题是：物理内存就是不够用。

"Unix的解决方案是虚拟内存。"吴锐翻着那本Unix源码注释，"把暂时不用的内存页面换出到磁盘，需要时再换入。"

"我们需要硬盘交换分区。"李静说，"但我们的硬盘只有20MB，系统占5MB，用户数据占5MB，剩下10MB能做交换空间------够用吗？"

叶知秋没回答。他看向窗外，梧桐树新叶在风中翻动，像无数页被风快速翻阅的书。

"今天不写代码。"他忽然站起来，"去圆明园。"

两个实习生愣住。沈书影刚从医院过来，也愣住了。

"去......圆明园？现在？"

"对。"叶知秋已经关掉显示器，"有些问题，在机房想不明白。"

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二、废墟上的隐喻

圆明园遗址，下午两点。春日暖阳照在残破的大水法石柱上，游人不算多。

五个人------叶知秋、沈书影、吴锐、李静，还有坚持要来的沈国栋（坐在轮椅上，由沈书影推着）------走在荒草与石砾之间。

"为什么来这儿？"吴锐忍不住问，"我们的问题很急......"

"因为这儿有答案。"叶知秋停在一片废墟前。这里曾是一座楼阁，现在只剩地基的轮廓和几块雕花石阶。

沈国栋让女儿停住轮椅，他伸手抚摸一块汉白玉残石，上面有精美的莲花纹样。

"这是'海晏堂'的基址。"老人缓缓说，"当年，这里有十二生肖喷泉，每个时辰一个生肖喷水。西洋机械，中国意象。"

他指向远处："那边是'方外观'，曾经的回族礼拜堂。再那边是'万花阵'，西洋迷宫。"

"都烧了。"吴锐说，"1860年，英法联军。"

"对。"沈国栋说，"但你看，地基还在。柱子倒了，梁烧了，瓦碎了------但地基的网格还在。"

叶知秋眼睛一亮。

他蹲下来，用手指在泥土上画图：

假设这是一块物理内存：
[柱础][柱础][柱础][柱础]...
每个柱础代表一个物理页面（比如4KB）

当年，建筑是这样布局的：
柱础A → 支撑"海晏堂"的东柱
柱础B → 支撑"海晏堂"的西柱
柱础C → 支撑"方外观"的主柱

"但建筑烧毁后，"叶知秋继续画，"我们站在这里，看着这些柱础，还能在脑子里重建当时的布局------哪些柱子属于哪座建筑，哪条走廊连接哪个厅堂。"

沈书影明白了："你的意思是......物理内存就像这些柱础，是实际存在的。而建筑的'布局'，是虚拟的，存在人脑子里的？"

"不。"叶知秋站起来，"存在图纸里。图纸记录着每个柱础属于哪座建筑，每面墙在哪里。有了图纸，即使建筑倒了，也能按原样重建。"

他看向两个实习生："页表（Page Table）就是图纸。它记录着：虚拟地址0x1000 → 物理页面#3，虚拟地址0x2000 → 物理页面#7......"

第一个知识点：虚拟内存的核心思想

吴锐迅速理解："所以程序以为自己拥有连续的、从0开始的地址空间，实际上它的页面可能分散在物理内存各处？甚至有些页面暂时被'换出'到磁盘------就像有些建筑构件被搬到仓库保存？"

"对。"叶知秋说，"而且更关键的是：每张图纸（每个进程的页表）是独立的。程序A的虚拟地址0x1000可能映射到物理页面#3，程序B的虚拟地址0x1000可能映射到物理页面#9。它们互不知晓。"

李静补充："这解决了两个问题：内存隔离（一个程序崩溃不会影响其他程序），和地址空间碎片化（程序看到的是连续空间）。"

沈国栋忽然说："这就像......印刷厂的版样库。"

所有人都看向他。

"铅字有限，但书稿无穷。"老人解释，"老师傅会把常用版样（比如'第一章''第一节'的固定排版）做成模板，存在库房。需要时取出来，填上具体内容。一本大书可能要几十个模板轮换使用。"

他顿了顿："库房大小有限（物理内存），但通过轮换模板，能排印比库房大得多的书（虚拟地址空间）。"

叶知秋怔住了。这个比喻比任何教科书都精准。

模板轮换 = 页面置换
版样库 = 物理内存
书的排版计划 = 页表

沈书影看着父亲，眼睛湿润。这个只读过小学的印刷工人，用最朴素的语言，点破了计算机科学最核心的抽象之一。

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三、第二个知识点：缺页中断------当记忆需要被唤起

他们走到"大水法"遗址前。巨大的石门矗立着，但顶部的雕塑早已不见。

"这里原本有鹰嘴喷泉。"沈书影读过资料，"水流从鹰嘴喷出，落入下面水池。但现在，只有石头。"

吴锐忽然问："如果我们要重建这个喷泉，但发现鹰嘴雕塑不在现场------它可能存放在某个仓库，或者已经损毁------怎么办？"

"去仓库找。"李静说，"或者重新雕刻一个。"

"对。"叶知秋接口，"在虚拟内存里，这叫做缺页中断（Page Fault）。"

他详细解释：

1. 程序访问虚拟地址V
2. CPU查页表，发现该地址对应的页表项显示"不在内存中"（Present位=0）
3. CPU触发缺页中断，操作系统接管
4. 操作系统检查：这个页面被换出到磁盘了？还是程序第一次访问？
5. 从磁盘读取页面到空闲物理页框
6. 更新页表，标记为"在内存中"
7. 重新执行那条指令

"这会产生性能开销。"吴锐说，"就像重建喷泉需要时间。"

"所以需要优化。"叶知秋说，"比如，预读------程序访问第5页时，操作系统推测它很快会访问第6页，提前加载。就像看到游客在研究大水法图纸，就提前把旁边的'观水法'遗址资料也准备好。"

沈国栋听着，忽然说："铅字排版也有类似情况。排一部长篇小说，师傅会让徒弟提前把下一章可能用到的生僻字从高架上取下来，放在手边。"

预取（Prefetching）------这个现代处理器的重要优化，在印刷厂里已经实践了几百年。

李静认真记笔记，然后问："但如果物理内存真的满了，没有空闲页框装新页面呢？"

"就要淘汰一个旧页面。"叶知秋说，"选择哪个淘汰？这就是页面置换算法。"

他讲了几种经典算法：

• FIFO（先进先出）：最早进来的页面先淘汰。简单但可能淘汰常用页面。
• LRU（最近最少使用）：淘汰最久没被访问的页面。效果更好但需要硬件支持记录访问时间。
• Clock（时钟算法）：近似LRU的实现，像钟表指针循环检查。

吴锐立刻想到优化："我们的80386没有硬件记录访问时间，但MMU（内存管理单元）的页表项里有个'访问位'（Accessed bit）------每次读/写页面，CPU自动置位。我们可以用Clock算法！"

沈书影虽然不懂技术细节，但她抓住了本质："所以，这其实是一种......记忆的选择性保存？哪些记忆要留在身边，哪些可以暂时封存，哪些可以遗忘？"

所有人都沉默了。

废墟的风吹过，石柱的影子在地上缓慢移动。

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四、生活的启示：故宫的"记忆宫殿"

第二天，沈书影带大家去了故宫------不是游客常走的三大殿，而是西北角的"英华殿"区域，那里正在举办"故宫文物南迁史料展"。

1933年，日军侵华前夕，故宫将一万三千多箱文物南迁，辗转上海、南京、重庆、乐山......抗战胜利后又运回北京。

"这里展出的不是文物本身，"沈书影说，"是文物搬迁的记录。"

展柜里，泛黄的清单上写着：

箱号：京字第1372号
内容：宋徽宗《听琴图》轴
1937年11月3日离京
1938年2月抵达长沙
1944年6月转移至四川巴县
1947年9月返京
现状：完好，藏故宫绘画库

还有手绘的装箱图：每件文物如何包裹、如何固定、箱子内部如何分隔。

吴锐看着这些，忽然说："这......这不就是页表吗？虚拟地址（文物在故宫的原位置）到物理位置（文物在迁徙途中的实际位置）的映射记录！"

李静补充："而且有'状态位'------'在运输中''在重庆仓库''已返京'。就像页面的'在内存/在磁盘/无效'状态。"

叶知秋站在一张巨大的迁徙路线图前，久久不语。

地图上，红色箭头从北京出发，分三条路线南下，在战火中蜿蜒，最终汇聚重庆，战后北归。箭头旁边标注着时间、负责人、运输工具（火车、汽车、轮船、甚至人挑肩扛）。

这就是一个民族文化的"虚拟内存系统"。

物理载体（文物）在战乱中颠沛流离，但记录系统（清单、图纸、档案） 始终保持完整。正是靠这套"元数据系统"，上万箱文物散而复聚，文明记忆得以存续。

"我明白了。"叶知秋轻声说，"虚拟内存技术，不只是为了解决物理内存不够用。它是一种记忆的存续策略------如何在有限的、易失的物理载体上，保存远超载体容量的记忆，并在灾难后完整重建。"

沈书影看着他："就像圆明园。建筑烧了，但如果当年的设计图纸还在，如果每个构件的尺寸、材质、位置都有记录......理论上可以重建。"

"但图纸也不在了。"吴锐说，"大部分被烧了，小部分流散海外。"

"所以，"沈国栋缓缓说，"图纸本身也需要备份。就像故宫文物，清单本身也是文物，也要保护。"

这句话点醒了叶知秋。

页表本身也需要内存存储！ 如果一个进程有4GB虚拟地址空间（2^20个4KB页面），每个页表项4字节，页表就要占4MB内存------这比很多程序本身还大！

"多级页表。"他脱口而出，"就像......图书馆的目录不在一本大书里，而是分层：总目录→分馆目录→书架目录→层架目录。"

80386正是用二级页表：页目录（Page Directory）指向页表（Page Table），页表指向物理页面。这样，不需要为整个地址空间分配页表，只需要为实际使用的区域分配。

"又回到了'目录树'。"沈书影微笑，"文件系统是目录树，虚拟内存也是目录树。计算机科学，就是不断发明新的树来整理世界。"

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五、第三个知识点：实现简单的虚拟内存

回到机房，叶知秋带领两个实习生开始实现。

第一步：启用80386的分页机制。

// 设置页目录和页表
void init_paging() {
    // 1. 创建页目录（4KB对齐）
    uint32_t *page_dir = (uint32_t *)alloc_aligned(4096, 4096);
    
    // 2. 创建第一个页表（映射低4MB物理内存）
    uint32_t *page_table = (uint32_t *)alloc_aligned(4096, 4096);
    
    // 填充页表：每个页表项控制4KB页面
    for (int i = 0; i < 1024; i++) {
        // 页表项格式：物理地址(20位) | 标志位(12位)
        // 标志位：P(存在)=1, RW(可读写)=1, US(用户模式)=0
        page_table[i] = (i * 0x1000) | 0x03; // 0x03 = 011b (P=1,RW=1,US=0)
    }
    
    // 3. 页目录第0项指向这个页表
    page_dir[0] = (uint32_t)page_table | 0x03;
    
    // 4. 其余页目录项暂时标记为不存在
    for (int i = 1; i < 1024; i++) {
        page_dir[i] = 0x02; // 0x02 = 010b (P=0,RW=1,US=0)
    }
    
    // 5. 加载页目录地址到CR3寄存器
    asm volatile("mov %0, %%cr3" : : "r"(page_dir));
    
    // 6. 启用分页（设置CR0的PG位）
    uint32_t cr0;
    asm volatile("mov %%cr0, %0" : "=r"(cr0));
    cr0 |= 0x80000000; // PG位(第31位)=1
    asm volatile("mov %0, %%cr0" : : "r"(cr0));
}

但这就够了吗？不。这只是"恒等映射"------虚拟地址=物理地址，没有解决内存不足问题。

需要实现页面置换。叶知秋设计了一个简单的交换分区机制：

1. 在硬盘末尾划出4MB作为交换空间
2. 维护一个"物理页面状态表"，记录每个物理页框：
   • 被哪个进程占用
   • 对应哪个虚拟页面
   • 是否被修改过（脏位）
   • 是否可换出
3. 当需要分配新页面但无空闲页框时：
   • 用Clock算法选择一个"牺牲页面"
   • 如果页面被修改过，写回交换分区
   • 标记该页表项为"不在内存中"，记录交换分区位置
   • 清空物理页框，分配给新页面

吴锐负责Clock算法的实现，李静负责交换分区的磁盘读写。

三天后，基础框架完成。

测试：运行一个"内存吞噬者"程序，它不断申请内存，填写数据。

# 运行前：可用物理内存 1.5MB
# 运行吞噬者，申请 2MB
[系统] 物理内存不足，开始页面置换...
[系统] 换出页面: 进程1, 虚拟页0x1000 -> 交换分区扇区 0x200
[系统] 换出页面: 进程1, 虚拟页0x2000 -> 交换分区扇区 0x208
...
[系统] 吞噬者程序运行完成，释放内存
[系统] 页面自动换回

成功了！系统第一次突破了物理内存的限制。

虽然速度慢------每次缺页都要读硬盘，机械硬盘寻道时间就需10毫秒。但能运行了，这比什么都重要。

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六、第四个知识点：共享内存------共同的记忆

但沈书影提出一个问题："如果我父亲在编辑器里打了一首诗，我想在旁边开一个'朗读程序'把诗读出来，朗读程序需要重新把诗文件读进内存吗？"

"理论上要。"叶知秋说，"两个进程的内存空间是隔离的。"

"但这样浪费内存。"沈书影说，"而且......不'共享'。父亲打的字，应该能被多个程序看到，就像一首诗可以被多人同时阅读。"

共享内存------这是虚拟内存系统的高级特性。

实现原理：两个进程的页表项指向同一个物理页框。这样，一个进程修改内容，另一个进程立刻能看到。

但这带来同步问题：如果两个进程同时修改怎么办？

"需要锁。"吴锐说，"就像图书馆，一本书只能一个人借出修改，其他人只能阅读。"

"或者，"李静想到另一种方案，"采用写时复制（Copy-on-Write）。最初共享，当某个进程要修改时，才复制一份给它单独修改。这样节省内存，又保证安全。"

叶知秋惊讶地看着两个实习生。他们正在快速成长。

他决定先实现简单的共享内存：只读共享。用于系统库（如C标准库的代码段），多个进程可以共享同一份代码副本，节省大量内存。

实现方法：

1. 标记某些页面为"共享"
2. 这些页面永远不会被换出（常驻内存）
3. 多个进程的页表项指向同一个物理页框
4. 页表项标记为只读，如果进程尝试写入，触发保护异常

测试时，他们让编辑器和简单的"文件查看器"同时打开同一首诗。用内存查看工具确认：两个进程的页表项确实指向同一个物理页框。

沈国栋看着屏幕，忽然说："这像不像......同一个铅字，可以印在无数张纸上？字模是共享的，但印出的每个字是独立的。"

"不完全一样。"叶知秋解释，"如果是只读共享，就像多人传阅同一本书。如果是写时复制，就像复印机------平时不复印，只有当有人要在书上做笔记时，才给他复印一本单独的。"

老人点点头，眼里有光："机器里的字，比铅字更......活。"

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七、圆明园的黄昏

项目阶段性成功的那天傍晚，叶知秋和沈书影又去了圆明园。

这次只有他们两人。

夕阳把废墟染成金色。他们站在"海晏堂"基址上，脚下的青砖缝隙里长出嫩草。

"虚拟内存实现了。"叶知秋说，"但我们又欠了债------页面置换算法还不够聪明，共享内存还没做读写支持，还有......"

"叶知秋。"沈书影打断他，"看着我。"

他转头。

"你还记得我们来这里的第一天吗？"沈书影轻声说，"你在地上画柱础图，讲页表。那时你眼睛里有光，就像现在。"

她顿了顿："但那时候，你是在创造 。现在，你只是在修补。"

叶知秋愣住了。

"我父亲常说，"沈书影继续，"最好的印刷师傅，不是能把字排得最整齐的，是能看出'这页应该空一行''这个字应该大一号'的人。他懂得留白 ，懂得节奏。"

她指向废墟："你看这些石头。它们当年被设计在这里，不只是为了承重。柱子之间的距离，门窗的比例，台阶的级数------都有韵律。那是建筑师心里的'虚拟建筑'，比石头本身更重要。"

叶知秋忽然懂了。

"你是说......操作系统设计，不应该只关注'功能是否实现'，还要关注'是否优雅'？是否......有韵律？"

"对。"沈书影微笑，"就像虚拟内存。它不只是让大程序能运行的技术。它是一种承诺------承诺每个程序都有自己完整的世界，承诺记忆可以被安全地保存和传递，承诺有限可以创造无限。"

她捡起一块碎瓦，上面有蓝色的琉璃釉："就像这片瓦。它曾经是屋顶的一部分，为下面的人遮风挡雨。现在碎了，但釉色还在阳光下发光。"

"虚拟内存......"叶知秋喃喃道，"其实是给每个程序一个'完整的屋顶'，即使物理上不可能。"

"也给我们自己。"沈书影轻声说，"给我们这些创造者，一个可以安放理想的'虚拟空间'------在那里，技术不必完美，但必须温柔；不必强大，但必须公正。"

夕阳完全沉下，废墟陷入深蓝的暮色。远处的路灯一盏盏亮起。

"该回去了。"叶知秋说，"吴锐和李静还在等代码审查。"

"等等。"沈书影从包里拿出一个笔记本，撕下一页，用钢笔写下几行字，折好递给他，"回去再看。"

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八、笔记本上的话

回到机房，已是深夜。

吴锐和李静还在调试一个页面置换的边界条件bug。叶知秋让他们先回去休息。

等机房里只剩他一人，他打开那张纸。

沈书影的字迹工整清秀：

叶：

今天在圆明园，你说"页表是废墟的重建图纸"。

我想说的是：图纸固然重要，但比图纸更重要的是------  
**画图纸的那个人，相信废墟值得被记住。**

虚拟内存的每个页表项，不只是0和1。
是你说"这个程序的这一页，我承诺为你保留位置"。
是你说"即使物理世界不够大，我也要在想象里给你家园"。
是你说"你可以安心运行，我会处理背后的颠簸流离"。

所以，请继续相信你画的图纸。
相信那些0和1，最终会垒成一座------  
比石头更坚固，比火更难烧毁的，
属于所有程序的、温柔的城池。

------书影 1990.4.22

叶知秋把纸折好，放进贴身口袋。

他重新打开编辑器，开始写一行注释------在所有虚拟内存代码文件的开头：

/*
 * 虚拟内存子系统 - 为每个程序造一座不会倒塌的城
 * 设计哲学：
 * 1. 公正：每个程序都有平等的地址空间
 * 2. 透明：程序不必感知物理内存的局限  
 * 3. 存续：即使被换出，也保证能完整归来
 * 4. 共享：美好的代码应该被共同看见
 * 
 * 纪念：1990年4月，圆明园废墟上的对话。
 *       废墟教我们：有些东西，必须在记忆里永生。
 */

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本集核心技术点总结

1. 虚拟内存核心思想：地址空间抽象，程序看到的是虚拟连续空间，实际映射到离散物理页面
2. 页表机制：虚拟地址→物理地址的映射表，80386采用二级页表（页目录+页表）
3. 缺页中断：访问不在内存的页面时，操作系统介入处理
4. 页面置换算法：FIFO、LRU、Clock算法及其实现考虑
5. 交换空间：磁盘区域作为"扩展内存"，存储被换出的页面
6. 共享内存：多进程共享物理页框，实现内存节省和进程通信
7. 写时复制：共享页面的优化策略，只在修改时才复制
8. 内存保护：通过页表项权限位实现只读、不可执行等保护
9. 多级页表优势：节省存储空间，支持稀疏地址空间

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1990：种下那棵不落叶的树和主题曲和片尾曲以及相关封面图片等 © [李林] [2025]。

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