你被操作系統(tǒng)欺騙了嗎？

1聊天

我們這些程序都安安靜靜地躺在硬盤的某個角落中，滿心期待地等待被主人使用，被操作系統(tǒng)裝載， 然后進入內(nèi)存工作，確切地說： 被CPU阿甘執(zhí)行。

進入內(nèi)存是我們的使命， 如果只是在硬盤上呆著， 那我們就是一堆二進制的代碼而已，除了占用硬盤的空間，沒有什么作用。

但是主人似乎特別鐘情于其中的幾個程序，像什么瀏覽器了、 QQ了、Word了、 播放器了， 80%以上的時間都耗在他們上面。

像我這樣的小工具calculator，默默無聞也無人問津， 除了躺在硬盤里睡大覺，就是和同一目錄下的helloworld聊天。

helloworld也很悲催，自從主人把它創(chuàng)建出來， 只運行過一次， 在屏幕上輸出一個 hello world ! 以后就再也沒人搭理了。

可是我更悲催， 連一次運行的機會都沒有， 我曾經(jīng)好奇地問helloworld ，在內(nèi)存中執(zhí)行到底是什么感覺，這個糊涂蛋竟然說： 木有感覺，代碼很快就運行完了，我這個程序就退出了。

我不再理他，又去找同一目錄下的game老兄， 他多次進入內(nèi)存運行，見多識廣。

沒想到他憤憤然地說： “我告訴你啊，你要想進入內(nèi)存執(zhí)行，必須得通過操作系統(tǒng)來裝載，但是操作系統(tǒng)他就是個大騙子！”

“為什么?。俊?/p>

“第一，他和ＣＰＵ阿甘狼狽為奸，營造了一個假象，讓我們以為每個程序都可以使用３Ｇ的巨大空間，但實際上那只是虛擬的！我們使用的內(nèi)存實際上少得可憐！”

（碼農(nóng)翻身注： 這是個32位的Linux系統(tǒng)）

“第二，他不是把你這個程序一下子全部裝入物理內(nèi)存，而是把你大卸八塊，用他的術(shù)語講，叫做頁面（page)，然后分頁按需裝入內(nèi)存， 注意，他不是連續(xù)裝入的，有時候先裝入這一塊，有時候先裝入那一塊， 最后你都不知道自己身體的各個部位在內(nèi)存的什么地方，絕對是痛不欲生。 ”

“第三，你以為在運行時獨占CPU，別做夢了， 操作系統(tǒng)通過分配時間片的方式，讓我們這些程序，不，準(zhǔn)確的來講是進程來輪轉(zhuǎn)執(zhí)行，再加上一點進程調(diào)度的算法， 時不時地把你踢出CPU。 由于各個進程切換得非?？欤o人類形成了一個假象，好像各個程序在同時執(zhí)行一樣。你說他是不是個大騙子？ ”

game老兄說得義憤填膺， 我將信將疑，還是耐心蟄伏吧，等待運行的那一天。

2裝載

偉大的一天終于來臨了。

主人在命令行窗口敲入了 calculator， 正在睡大覺的我立刻被裝載器(loader)喚醒， 他說他是操作系統(tǒng)派來的， 要幫我到內(nèi)存去執(zhí)行。

我滿心歡喜，等待裝載器把我裝入內(nèi)存， 可是等了半天，什么也沒有發(fā)生， 我不由得問他： 哥們， 難道不是讓我進入內(nèi)存運行嗎？

裝載器說： “急什么， 看你那沒見過世面的樣子， 不知道我正在為你創(chuàng)建虛擬地址空間嗎？ ”

果然如此 ！ 要給我建立一個虛擬的空間了 ，好吧，既來之則安之。

“你是不是忙著把我的代碼和數(shù)據(jù)都復(fù)制到這個虛擬地址空間中來啊？” 我故意問道。

“真夠無知的， 這是虛擬地址空間，不是實際內(nèi)存， 怎么可能放代碼和數(shù)據(jù)？”這個裝載器脾氣很大。

我以為這個裝載器至少會把我的代碼裝載到物理內(nèi)存， 然后在虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存直接建立映射。于是耐心等待。

但是這個裝載器卻并沒有這么做， 實際上他除了讀取我的一些Header信息之外，根本沒有把我的數(shù)據(jù)Copy到物理內(nèi)存去， 他到底要做什么？

我質(zhì)問道： “你不把我的代碼裝載到物理內(nèi)存中，我怎么運行？ ”

他說： “放心吧，我已經(jīng)用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（頁表）把你的代碼/數(shù)據(jù)在硬盤的位置已經(jīng)記錄下來了，等到真正運行的時候會被裝載的?！?/p>

說著他甩給我一張圖： “看到了頁表了嗎， 綠色的表示已經(jīng)裝入內(nèi)存， 黃色的表示還在磁盤上， 初始狀態(tài)下，全是黃色的， 就像你一樣?！?/p>

（注：為了簡化， 此圖沒有反映段頁結(jié)合的情況）

這個大脾氣的裝載器把活干完了 ， 大大咧咧地從我的代碼中找到了程序的入口點地址 （假設(shè)是0x080480c0）， 他說等到進程執(zhí)行的時候就從這里開始，讀取第一條指令。

3運行

我意識到自己雖然還躺在硬盤里， 但是操作系統(tǒng)老大已經(jīng)為我建立了一個進程了， 這個進程有一套自己的虛擬地址，頁表等“高級”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 已經(jīng)準(zhǔn)備好運行了。

果然， 不久以后， 操作系統(tǒng)調(diào)度了這個進程來運行，就從裝載器返回的程序入口點0x080480c0開始。

老大命名CPU阿甘去0x080480c0處取出指令來執(zhí)行， 但這是一個虛擬地址，必須轉(zhuǎn)化成物理地址才行。

于是阿甘就去查看頁表，試圖把它變成物理內(nèi)存的地址， 可是這個頁表指向的是硬盤中的地址， 阿甘立刻報告： “老大，這是個新家伙，它的代碼還在硬盤上呢！”

“好的，馬上啟動缺頁處理程序！ ” 看來老大已經(jīng)司空見慣了。

缺頁處理程序開始執(zhí)行， 根據(jù)頁表中的地址又在硬盤中找到了我， 我配合著讓他把代碼取走。

人生的第一次， 我的代碼終于被讀入了內(nèi)存當(dāng)中，當(dāng)然，阿甘也得把頁表給修改一下，這樣才能反映已經(jīng)數(shù)據(jù)已經(jīng)進入內(nèi)存了：

現(xiàn)在可以讀取虛擬地址0x080480c0處的內(nèi)容了， 通過頁表的翻譯，定位到了物理內(nèi)存的地址，取出了指令，終于可以執(zhí)行了 ！

隨著指令的執(zhí)行，越來越多的數(shù)據(jù)和代碼被裝載到物理內(nèi)存，果然如game老兄所言，我被大卸八塊安插到物理內(nèi)存的不同位置去了。

但是game老兄說的也不對，那其實并不是我，只是我的一個化身而已。這個化身是一個正在運行的進程，CPU阿甘不停地讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)。 時間片到了，就把這個進程給掛起，過一會兒再運行。

最后，進程結(jié)束，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會被清理、覆蓋，但是我還是我，玩好無損地躺在硬盤上。

經(jīng)歷了這一次的運行，我算是明白了，操作系統(tǒng)確實是個大騙子，但是他其實也很不容易，資源很有限， 內(nèi)存就那么大，CPU阿甘只有一個，程序又那么多， 為了讓更多的程序運行，更有效地利用內(nèi)存和CPU， 也只能施展一點騙術(shù)了。