程序的执行过程（进程） - 好文

•1 程序间的聊天

我们这些执行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、 QQ、Word、播放器，
80%以上的时间都耗在他们上面执行。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game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！”。
calculator问“为什么啊？”。 game老兄回答说：
• “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３ＧB的巨大内存空间，但实际上那只是
虚拟的！我们使用的内存实际上少得可怜！”
• “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？ ”

• 2 程序装载

伟大的一天终于来临了。主人在命令行窗口敲入了 calculator，正在磁盘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
为你在系统登记信息和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。”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），他说等到进进程执行的时候就从这里开始，读取第一条指令。

•3 程序运行

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、一个
进程控制块、页表等“高级”的数据结构，可以准备运行了。果然，不久以后，
操作系统调度了我这个进程来运行，就从装载器返回的程序入口点0x080480c0开始。老大命令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，
CPU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，马上启动缺页异常处理程序！ ” 看来老大已经司空见惯了。缺页异常处理程序开始执行，
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。

摘抄自老师课件，仅供学习使用

热门工具换一换