本文并不會深入底層寄存器指令與硬件等內容，只是借此主題為后續內存管理章節作掃盲，并幫助各位對分層存儲體系有一個整體的把握，以及一個程序在這樣的存儲體系上，究竟是如何運行起來的，這些存儲器在這個過程又分別扮演了什么角色。

為什么設計了分層存儲體系其實早在操作系統系列開篇的那篇文章中，我就簡單介紹過分層存儲體系（Memory Hierarchy），先來回顧下（這里我參考的是《現代操作系統 — 第三版》這本書，其他有些資料可能會劃分的更為細致，不過在理解本文的目的上，以下劃分已經足夠清晰了）：

各位不妨想一想，為什么需要設計出這樣一個分層的存儲體系來供計算機使用呢？

首先，有一個觀點不用多說，每個人都希望自己的計算機擁有這樣一個存儲器：它容量無限大，CPU 訪問它的速度無限快，并且能夠永久性的存儲數據（斷電不會丟失數據），而且價格不能太高昂。

But，遺憾的是，現階段的技術仍然滿足不了我們的幻想。

為此，經過多年的探索，人們提出了分層存儲體系的概念，把我們的幻想一個一個拆開對應到不同的存儲器上。

在這個體系中，計算機擁有若干 KB 超級快速、超級昂貴且易失性的寄存器；若干 MB 快速、昂貴且易失性的高速緩存（cache）；若干 GB 的速度與價格都適中、且同樣易失性的內存；以及若干 TB 低速、廉價、非易失性的磁盤存儲；另外還有諸如磁帶等可移動的存儲裝置。

至于為什么這些存儲器的造價不同，那就和它們的成本、材料、制作工藝等息息相關了。寄存器超級快速且超級昂貴的原因就是它和 CPU 的制作材料是相同的，所以 CPU 訪問起來幾乎是沒有時延的。

另外，這里多提一嘴內存，關于內存的分類眾說紛紜，我覺得各位對內存的概念有大體的把握就行，不必過度死扣細節。

內存也經常被人們稱為主存和隨機訪問存儲器（Random Access Memory，RAM），還有我們上文說到內存是易失性的，其實這都不是絕對正確的，只不過是通俗的說法并且被大眾所認可。

現在許多計算機都已經在使用少量的非易失性隨機訪問存儲器，也就是只讀存儲器（Read Only Memory，ROM），它在工廠中就被編程完畢，然后再也不能被修改。ROM 速度快并且造價低廉，很多開發商都會把用于啟動計算機的引導加載模塊存放在 ROM 中。

裝入內存，讓程序跑起來這里我先開門見山的總結一下內存和磁盤的區別，也方便大家更好的理解下面的例子。通俗來說，內存決定了你的計算機能夠同時流暢運行多少個應用程序，而磁盤決定了你的計算機能夠下載安裝多少個應用程序。

舉個例子，這里面涉及到一個很重要的概念，各位認真看哈：

比方說你的計算機上安裝了 WeChat，你雙擊了 WeChat 快捷方式，操作系統就會打開 WeChat 軟件。

那么，各位有沒有想過，在分層的存儲體系上，WeChat 或者各種應用程序在你的計算機上究竟是怎么跑起來的呢？這些存儲器在這個過程又分別扮演了什么角色呢？

首先，有一點你要明確，你安裝的 WeChat 軟件是保存在磁盤中的。軟件安裝的本質是什么？各位應該也都明白，就是將很多數據的集合存儲到磁盤上。

雙擊 WeChat 快捷方式，操作系統就會知道你要運行這個軟件，它會在磁盤中找到你安裝的 WeChat 軟件，將運行所需要的數據從磁盤中復制到內存里。注意這里！WeChat 不是直接磁盤中運行的，而是在內存中運行的。

至于原因，那當然是內存的讀寫速度比磁盤快得多。

所以，為了緩和磁盤之間的速度不匹配問題，程序執行前必須將硬盤上的數據復制到內存，CPU 才能夠著手處理，這個過程就叫作載入內存（Load into Memory），完成這個過程需要一個不可或缺的程序：載入器或者說加載器（Loader）。

CPU 直接與內存進行交互，它會讀取內存中的數據進行處理，并將結果返回并保存到內存。當然，如果你還需要將數據保存到磁盤，復制操作也會在內存和磁盤直接發生一次。

比如說，我們打開了某個 Word 文檔，并輸入了一些文字，雖然我們直觀看到的已經發生變化了，但是磁盤中存儲的文檔仍然沒有改變，它仍然是之前的數據，新增的文字只是暫時保存到了內存，只有我們手動保存了這篇文檔比如 Ctrl + s 才會將修改保存到磁盤中。

而由于內存是易失性的，也就是說斷電后數據就丟失了，所以如果你編輯完 Word 文檔忘記保存或者斷電導致關機了，那么你將永遠無法找回這些內容（悲劇 ）。

寄存器與高速緩存去哪里了讀到這里，各位肯定會有所困惑，上面不是說了還有高速緩存嗎？還有寄存器嗎？它們不是也用來存儲的嗎，在這個過程中它們去哪里了？

OK，從 CPU 的角度來說，內存是什么？就是一個笨逼，它僅僅是一個存放指令和數據的地方，計算機并不能在內存中完成計算功能。

若把 CPU 比作人類的靈魂，內存和磁盤就是人類的軀體。沒有了 CPU，內存和磁盤就淪為一具行尸走肉。當然，沒有了內存和磁盤也不行，畢竟 CPU 的存儲能力非常可憐。

比如說我們要計算 a = b + c，必須將變量 a、b、c 從內存中讀取到 CPU 內部才能進行加法運算，而在 CPU 中執行運算工作的部件，就是運算單元，可以說運算單元就是 CPU 的大腦。

我們不妨來看一下 CPU 的結構：

可以看出，寄存器（Register）和高速緩存都直接內嵌在 CPU 中。

先說寄存器，其造價高昂且容量有限，功能涵括數學運算、控制程序的執行流程、標記 CPU 運行狀態等。

有些同學可能認為寄存器就是一個部件，其實不然，現代的 CPU 基本都內置了幾十個甚至上百個寄存器，根據功能的不同，這些寄存器也擁有不同的名字。

例如，EAX 寄存器通常被用在加法運算中，用來保存某個加數或運算結果；EIP 寄存器中存儲的值是下一條指令的地址，CPU 執行完當前指令后，就會根據 EIP 的值去尋找下一條指令，也就是說如果我們改變 EIP 寄存器的值，也就會相應的改變程序的執行流程。

另外，寄存器存放的是二進制數據，我們常常說 32 位或者 64 位的 CPU，其實指的就是寄存器的位數。

再來看緩存，為啥 CPU 里面還要弄個緩存呢？那當然還是離不開讀寫速度的問題，雖然 CPU 訪問內存的速度相比于磁盤來說已經足夠快了，But，真要和高速緩存做個對比，那根本就不是一個數量級的，蚍蜉撼樹罷了。

如果 CPU 每次都從內存中讀取數據，會嚴重拖慢其運行速度，CPU 不得不浪費大量的時間來等待內存中數據操作的結束。為此，我們在 CPU 內部設置一個緩存，將使用頻繁的數據暫時從內存中讀取到緩存里來，這樣，如果緩存命中，就直接從緩存中讀取即可，不必訪問內存了。

所以很顯然，緩存容量越大的 CPU 其性能就越好。當然，畢竟造價高昂，搞不起超大容量的緩存，大小有限，所以對于緩存中數據取舍的種種算法又是一門值得深究的話題。

另外，緩存的概念其實并不僅僅局限于此。只要存在大量的資源可以劃分成小的部分，那么，這些資源中的某些部分就會比其他部分更頻繁的得到使用，使用緩存就可以帶來性能上的改善。在操作系統中，除了 CPU 中的緩存，內存和硬盤之間其實也有緩存的概念，也就是下面我們將要討論的虛擬內存。

虛擬內存和局部性原理虛擬內存（Virtual Memory）、虛擬存儲器，這倆其實是一個東西，只不過網絡上各種博客說法不一樣，沒有統一起來，容易讓萌新摸不著頭腦。

上文說的種種只是在運行一個 WeChat 程序的情況下，各位不妨想一下，如果你的電腦內存只有 4G，你同時運行了 WeChat、QQ、網易云音樂、Chrome 等等很多應用程序，假設它們加起來一共需要 5G 的內存空間，也就意味著需要從磁盤復制 5G 的數據到只有 4G 存儲空間的內存，顯然，這是不可能的。

為此，操作系統中引入了虛擬內存的概念。當程序運行需要的存儲空間大于內存的容量時，會將內存中暫時不用的數據寫回磁盤，當需要這些數據時再從磁盤中重新讀取，而內存中存放的數據也就是所謂的熱點數據。這樣，磁盤中就會有一部分空間用來存放內存中暫時不用的數據，這一部分空間就叫做虛擬內存。我們上面所說的情況就需要在磁盤上分配（5 - 4 = 1G）的虛擬內存。

這樣，虛擬內存中 “虛擬” 二字的含義也就不言而喻了。只有 4G 內存，但是可以正常運行占用內存超過 4G 的應用程序，在用戶看來他似乎擁有了一個比實際內存大得多的內存。當然，實際的物理內存大小并沒有發生改變，只是在邏輯上進行了擴充。

可以這么理解，引入虛擬內存的概念后，在內存和磁盤之間，內存就充當了緩存的作用。CPU 優先從內存中獲取數據，如果命中，就不需要去訪問磁盤。這里和我們上文所說的 CPU 中的緩存和內存之間的關系是不是一模一樣？

當然，我們為什么可以這樣做？這些數據為啥就能被調入緩存/內存呢？虛擬內存存在的理論支撐是什么？這就是著名的局部性原理。局部性原理包含兩種，時間局部性和空間局部性：

1）時間局部性原理：如果 CPU 執行了程序中的某條指令，那么不久后這條指令很有可能再次執行；如果某個數據被訪問過，不久之后該數據很可能再次被訪問；

2）空間局部性原理：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的存儲單元也很有可能被訪問，因為很多數據在內存中都是連續存放的，并且程序的指令也是順序地在內存中存放的。

原文標題：五分鐘掃盲：程序在計算機中是如何運行起來的

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責任編輯：haq