你被操作系统欺骗了吗？

1聊天

我们这些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，像什么浏览器了、 QQ了、Word了、 播放器了， 80%以上的时间都耗在他们上面。 

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。 

我不再理他，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。 

没想到他愤愤然地说： “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！”

“为什么啊？”

“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３Ｇ的巨大空间，但实际上那只是虚拟的！　我们使用的内存实际上少得可怜！”

（码农翻身注： 这是个32位的Linux系统）

“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？ ”

game老兄说得义愤填膺， 我将信将疑，还是耐心蛰伏吧，等待运行的那一天。 

2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。”

（注：为了简化， 此图没有反映段页结合的情况）

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）， 他说等到进程执行的时候就从这里开始，读取第一条指令。

3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，页表等“高级”的数据结构， 已经准备好运行了。

果然， 不久以后， 操作系统调度了这个进程来运行，就从装载器返回的程序入口点0x080480c0开始。  

老大命名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， 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，马上启动缺页处理程序！ ”  看来老大已经司空见惯了。

缺页处理程序开始执行， 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老兄所言，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。