操作系統是個大騙子？
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，被操作系統裝載， 然后進入內存工作，確切地說： 被 CPU阿甘 執行。
進入內存是我們的使命， 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， 我曾經好奇地問helloworld ，在內存中執行到底是什么感覺，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，你要想進入內存執行，必須得通過操作系統來裝載，但是操作系統他就是個大騙子!”
“為什么啊?”
“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! 我們使用的內存實際上少得可憐!”
(碼農翻身注： 這是個32位的Linux系統)
“第二，他不是把你這個程序一下子全部裝入物理內存，而是把你大卸八塊，用他的術語講，叫做頁面(page) ，然后分頁按需裝入內存， 注意，他不是連續裝入的，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， 操作系統通過分配時間片的方式，讓我們這些程序，不，準確的來講是進程來輪轉執行，再加上一點進程調度的算法， 時不時地把你踢出CPU。 由于各個進程切換得非常快，給人類形成了一個假象，好像各個程序在同時執行一樣。 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， 他說他是操作系統派來的， 要幫我到內存去執行。
我滿心歡喜，等待裝載器把我裝入內存， 可是等了半天，什么也沒有發生， 我不由得問他： 哥們， 難道不是讓我進入內存運行嗎?
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據都復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，不是實際內存， 怎么可能放代碼和數據?” 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存， 然后在虛擬內存和物理內存直接建立映射。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，根本沒有把我的數據Copy到物理內存去， 他到底要做什么?
我質問道： “你不把我的代碼裝載到物理內存中，我怎么運行? ”
他說： “放心吧，我已經用一個數據結構(頁表)把你的代碼/數據在硬盤的位置已經記錄下來了，等到真正運行的時候會被裝載的。”
說著他甩給我一張圖： “看到了頁表了嗎， 綠色的表示已經裝入內存， 黃色的表示還在磁盤上， 初始狀態下，全是黃色的， 就像你一樣。”
(注：為了簡化， 此圖沒有反映段頁結合的情況)
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 (假設是0x080480c0)， 他說等到進程執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， 但是操作系統老大已經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”的數據結構， 已經準備好運行了。
果然， 不久以后， 操作系統調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處取出指令來執行， 但這是一個虛擬地址，必須轉化成物理地址才行。
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! ” 看來老大已經司空見慣了。
缺頁處理程序開始執行， 根據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存當中，當然，阿甘也得把頁表給修改一下，這樣才能反映已經數據已經進入內存了：
現在可以讀取虛擬地址0x080480c0處的內容了， 通過頁表的翻譯，定位到了物理內存的地址，取出了指令，終于可以執行了 !
隨著指令的執行，越來越多的數據和代碼被裝載到物理內存，果然如game老兄所言，我被大卸八塊安插到物理內存的不同位置去了。
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阿甘不停地讀數據、寫數據。 時間片到了，就把這個進程給掛起，過一會兒再運行。
最后，進程結束，內存中的數據會被清理、覆蓋，但是我還是我，玩好無損地躺在硬盤上。
經歷了這一次的運行，我算是明白了，操作系統確實是個大騙子，但是他其實也很不容易，資源很有限， 內存就那么大，CPU阿甘只有一個，程序又那么多， 為了讓更多的程序運行，更有效地利用內存和CPU， 也只能施展一點騙術了。
【本文為51CTO專欄作者“劉欣”的原創稿件，轉載請通過作者微信公眾號coderising獲取授權】
