【计算机原理】程序执行过程

本章主要介绍程序执行过程中操作系统、CPU都干了什么

运行前

程序在运行前，只是在硬盘上待着，此时就是一堆二进制代码而已，没有任何作用。

程序只有进入了内存才能运行，但是要进入内存，则需要服从操作系统的调度。

一个程序在运行的时候可能需要很大的空间，比如3G，但是操作系统不可能为每个程序都分配那么大，因为同时加载入内存的程序可能很多。

所以操作系统想了个办法，它和CPU一起“欺骗”了程序，它可以把硬盘的部分空间当作内存展示给程序，这就是虚拟内存技术，这种欺骗手段能实现的原因在于，程序的局部性原理，也就是程序不会同时运行所有的代码。

虚拟内存是一种内存管理技术，使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存。

实际上可能并不是这样，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有可能暂时存储在外部磁盘存储器上，

这种做法最核心的问题就在于调度。我们可以把程序切分成若干块，也就是页面，然后分页装入内存中。这样，之后暂时用不到的页面就可以置换到硬盘上呢。

装载

在程序运行之前，操作系统会进行程序的装载，也就是创建一个进程结构，它会有自己的一套虚拟地址、页表等结构。

但是装载器不会把代码装载到物理内存中，而是用一个页表把代码在硬盘上的位置记录下来，只有在真正运行的时候才会加载到内存里面。

最后，装载器会找到程序的入口地址，执行的时候，从入口地址开始读第一条指令。

运行

下载程序虽然还在硬盘里面，但是操作系统已经建立了一个进程，它有一套自己的虚拟地址、页表等高级数据结构。

操作系统进行进程的调度，当轮到这个进程来的时候，才从装载器返回的入口点开始执行。

CPU从程序入口处取出指令，但是这是一个虚拟地址，需要转换为物理地址。那么怎么转换呢？CPU会去查看页表，可以这个页表现在还指向的是硬盘中的地址，所以CPU会执行缺页中断处理程序

最后CPU会从硬盘里面把代码加载入内存，之后CPU当然得把页表修改一下，这样才能反映数据已经进入内存呢。

随着程序的执行，越来越多的数据和代码被加载到物理内存，而且这些加载到内存中的页不是连续的，他会安插在内存的不同位置去。

值得注意的是，在内存中的只是进程的一个实例而已，可以相当于程序的一个化身。

CPU会不断的读数据、写数据，时间片到了，就把进程挂起来，也就是说进程其实不是独占CPU的，只是因为进程切换得非常快，从人类的角度来看，以为程序在同时执行一样。

最后进程运行结束，内存中的数据会清理，覆盖。

操作系统为什么要这么做

操作系统为什么要那么麻烦的搞出什么内存映射、虚拟内存来，还不是因为资源有限，内存就那么大，程序又那么多，为了让更多的程序运行起来，有效的利用内存和CPU，只能使用这种方法了。

参考

本文由操作系统是个大骗子？改编过来的