•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

 

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