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1.聊天

  我们这些程序都安安静静地躺在硬盘的某个角落中,满心期待地等待被主人使用,被操作系统装载, 然后进入内存工作,确切地说: 被 CPU阿甘 执行。

  进入内存是我们的使命, 如果只是在硬盘上呆着, 那我们就是一堆二进制的代码而已,除了占用硬盘的空间,没有什么作用。

  但是主人似乎特别钟情于其中的几个程序,像什么浏览器了、 QQ了、Word了、 播放器了, 80%以上的时间都耗在他们上面。

  像我这样的小工具calculator,默默无闻也无人问津, 除了躺在硬盘里睡大觉,就是和同一目录下的helloworld聊天。

  helloworld也很悲催,自从主人把它创建出来, 只运行过一次, 在屏幕上输出一个 hello world ! 以后就再也没人搭理了。

  可是我更悲催, 连一次运行的机会都没有, 我曾经好奇地问helloworld ,在内存中执行到底是什么感觉,这个糊涂蛋竟然说: 木有感觉,代码很快就运行完了,我这个程序就退出了。

  我不再理他,又去找同一目录下的game老兄, 他多次进入内存运行,见多识广。

  没想到他愤愤然地说: “我告诉你啊,你要想进入内存执行,必须得通过操作系统来装载,但是操作系统他就是个大骗子!”

  “为什么啊?”

  “第一,他和CPU阿甘 狼狈为奸,营造了一个假象,让我们以为每个程序都可以使用3G的巨大空间,但实际上那只是虚拟的!我们使用的内存实际上少得可怜!”

  (码农翻身注: 这是个32位的Linux系统)

  “第二,他不是把你这个程序一下子全部装入物理内存,而是把你大卸八块,用他的术语讲,叫做页面(page) ,然后分页按需装入内存, 注意,他不是连续装入的,有时候先装入这一块,有时候先装入那一块, 最后你都不知道自己身体的各个部位在内存的什么地方,绝对是痛不欲生。 ”

  “第三,你以为在运行时独占CPU,别做梦了, 操作系统通过分配时间片的方式,让我们这些程序,不,准确的来讲是进程来轮转执行,再加上一点进程调度的算法, 时不时地把你踢出CPU。 由于各个进程切换得非常快,给人类形成了一个假象,好像各个程序在同时执行一样。你说他是不是个大骗子? ”

  game老兄说得义愤填膺, 我将信将疑,还是耐心蛰伏吧,等待运行的那一天。

  2.装载

  伟大的一天终于来临了。

  主人在命令行窗口敲入了 calculator, 正在睡大觉的我立刻被装载器(loader)唤醒, 他说他是操作系统派来的, 要帮我到内存去执行。

  我满心欢喜,等待装载器把我装入内存, 可是等了半天,什么也没有发生, 我不由得问他: 哥们, 难道不是让我进入内存运行吗?

  装载器说: “急什么, 看你那没见过世面的样子, 不知道我正在为你创建虚拟地址空间吗? ”

  果然如此 ! 要给我建立一个虚拟的空间了 ,好吧,既来之则安之。

  “你是不是忙着把我的代码和数据都复制到这个虚拟地址空间中来啊?” 我故意问道。

  “真够无知的, 这是虚拟地址空间,不是实际内存, 怎么可能放代码和数据?”这个装载器脾气很大。

  我以为这个装载器至少会把我的代码装载到物理内存, 然后在虚拟内存和物理内存直接建立映射。于是耐心等待。

  但是这个装载器却并没有这么做, 实际上他除了读取我的一些Header信息之外,根本没有把我的数据Copy到物理内存去, 他到底要做什么?

  我质问道: “你不把我的代码装载到物理内存中,我怎么运行? ”

  他说: “放心吧,我已经用一个数据结构(页表)把你的代码/数据在硬盘的位置已经记录下来了,等到真正运行的时候会被装载的。”

  说着他甩给我一张图: “看到了页表了吗, 绿色的表示已经装入内存, 黄色的表示还在磁盘上, 初始状态下,全是黄色的, 就像你一样。”

  (注:为了简化, 此图没有反映段页结合的情况)

  这个大脾气的装载器把活干完了 , 大大咧咧地从我的代码中找到了程序的入口点地址 (假设是0x080480c0), 他说等到进程执行的时候就从这里开始,读取第一条指令。

  3.运行

  我意识到自己虽然还躺在硬盘里, 但是操作系统老大已经为我建立了一个进程了, 这个进程有一套自己的虚拟地址,页表等“高级”的数据结构, 已经准备好运行了。

  果然, 不久以后, 操作系统调度了这个进程来运行,就从装载器返回的程序入口点0x080480c0开始。

  老大命名CPU阿甘去0x080480c0处取出指令来执行, 但这是一个虚拟地址,必须转化成物理地址才行。

  于是阿甘就去查看页表,试图把它变成物理内存的地址, 可是这个页表指向的是硬盘中的地址, 阿甘立刻报告: “老大,这是个新家伙,它的代码还在硬盘上呢!”

  “好的,马上启动缺页处理程序! ” 看来老大已经司空见惯了。

  缺页处理程序开始执行, 根据页表中的地址又在硬盘中找到了我, 我配合着让他把代码取走。

  人生的第一次, 我的代码终于被读入了内存当中,当然,阿甘也得把页表给修改一下,这样才能反映已经数据已经进入内存了:

  现在可以读取虚拟地址0x080480c0处的内容了, 通过页表的翻译,定位到了物理内存的地址,取出了指令,终于可以执行了 !

  随着指令的执行,越来越多的数据和代码被装载到物理内存,果然如game老兄所言,我被大卸八块安插到物理内存的不同位置去了。

  但是game老兄说的也不对,那其实并不是我,只是我的一个化身而已。这个化身是一个正在运行的进程,CPU阿甘不停地读数据、写数据。 时间片到了,就把这个进程给挂起,过一会儿再运行。

  最后,进程结束,内存中的数据会被清理、覆盖,但是我还是我,玩好无损地躺在硬盘上。

  经历了这一次的运行,我算是明白了,操作系统确实是个大骗子,但是他其实也很不容易,资源很有限, 内存就那么大,CPU阿甘只有一个,程序又那么多, 为了让更多的程序运行,更有效地利用内存和CPU, 也只能施展一点骗术了。