程序运行原理

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1、一个程序在计算机中到底是如何运行的？

　　程序是保存在硬盘中的，要载入内存才能运行，CPU也被设计为只能从内存中读取数据和指令；

　　对于CPU来说，内存仅仅是一个存放指令和数据的地方，并不能在内存中完成计算功能，为了了解具体的运算过程，先看一下CPU的结构：

　　CPU是一个复杂的计算机部件，它内部又包含很多小零件，如下图：

　　

 

　　运算单元是CPU的大脑，负责加减乘除、比较、位移等运算工作，每种运算都有对应的电路支持，速度很快。

　　寄存器是CPU内部非常小、非常快速的存储部件，它的容量有限，对于32的CPU，每个寄存器一般能存储32位（4个字节）的数据，对于64位的CPU，每个寄存器一般能存储64位（8个字节）的数据。为了完成各种复杂的功能，现代CPU都内置了几十个甚至上百个寄存器，嵌入式系统功能单一，寄存器数量较少；

　　我们经常所说的多少位CPU，指的是寄存器的位数；寄存器在程序的执行过程中至关重要，不可或缺，它们可以用来完成数学运算、控制循环次数、控制程序的执行流程、标记CPU的运行状态等。

　　CPU内部为什么又要设置缓存呢？

　　虽然内存的读取速度已经很快了，但是和CPU相比，还是有很大差距的，不是一个数量级的，如果每次都从内存中读取数据，会严重拖慢CPU的运行速度，CPU经常处于等待状态，无事可做。在CPU内部设置一个缓存，可以将使用频繁的数据暂时读取到缓存，需要同一地址上的数据时，就不用大老远的再去访问内存，直接从缓存中读取即可。

　　大家在购买CPU时也会经常关心缓存容量，例如：Intel Core i7 3770K 的三级缓存为8MB，二级缓存为256KB，一级缓存为32KB，容量越大，CPU越强悍。

　　缓存的容量是有限的，CPU只能从缓存中读取到部分数据，对于使用不是很频繁的数据，会绕过缓存，直接到内存中读取。所以不是每次都能从缓存中得到数据，这就是缓存的命中率，能够从缓存中读取就命中，否则就没命中。关于缓存的命中率又是一门学问，哪些数据保留在缓存，哪些数据不保留，都有复杂的算法。

　　要想让CPU工作，必须借助特定的指令，例如 add 用于加法运算，sub 用于除法运算，cmp 用于比较两个数的大小，这称为CPU的指令集（Instruction Set）。我们的C语言代码最终也会编译成一条一条的CPU指令。不同型号的CPU支持的指令集会有所差异，但绝大部分是相同的。

　　实际上，上面的代码是汇编语言，不是CPU指令，汇编语言还要经过简单的转换才能成为CPU指令；为了更加容易地说明问题，这些语句也没有严格遵守汇编的语法。有兴趣的同学可以自行学习汇编语言，这里不再展开讲解。

2、载入内存，让程序运行起来

　　如果你的电脑上安装了QQ，你希望和好友聊天，会双击QQ图标，打开QQ软件，输入账号和密码，然后登录就可以了。那么，QQ是怎么运行起来的呢？
　　首先，有一点你要明确，你安装的QQ软件是保存在硬盘中的。双击QQ图标，操作系统就会知道你要运行这个软件，它会在硬盘中找到你安装的QQ软件，将数据（安装的软件本质上就是很多数据的集合）复制到内存。对！就是复制到内存！QQ不是在硬盘中运行的，而是在内存中运行的。为什么呢？因为内存的读写速度比硬盘快很多。对于读写速度，内存 > 固态硬盘 > 机械硬盘。机械硬盘是靠电机带动盘片转动来读写数据的，而内存条通过电路来读写数据，电机的转速肯定没有电的传输速度（几乎是光速）快。虽然固态硬盘也是通过电路来读写数据，但是因为与内存的控制方式不一样，速度也不及内存。所以，不管是运行QQ还是编辑Word文档，都是先将硬盘上的数据复制到内存，才能让CPU来处理，这个过程就叫作载入内存（Load into Memory）。完成这个过程需要一个特殊的程序（软件），这个程序就叫做加载器（Loader）。CPU直接与内存打交道，它会读取内存中的数据进行处理，并将结果保存到内存。如果需要保存到硬盘，才会将内存中的数据复制到硬盘。例如，打开Word文档，输入一些文字，虽然我们看到的不一样了，但是硬盘中的文档没有改变，新增的文字暂时保存到了内存，Ctrl+S才会保存到硬盘。因为内存断电后会丢失数据，所以如果你编辑完Word文档忘记保存就关机了，那么你将永远无法找回这些内容。

虚拟内存

　　如果我们运行的程序较多，占用的空间就会超过内存（内存条）容量。例如计算机的内存容量为2G，却运行着10个程序，这10个程序共占用3G的空间，也就意味着需要从硬盘复制 3G 的数据到内存，这显然是不可能的。操作系统（Operating System，简称 OS）为我们解决了这个问题：当程序运行需要的空间大于内存容量时，会将内存中暂时不用的数据再写回硬盘；需要这些数据时再从硬盘中读取，并将另外一部分不用的数据写入硬盘。这样，硬盘中就会有一部分空间用来存放内存中暂时不用的数据。这一部分空间就叫做虚拟内存（Virtual Memory）。3G - 2G = 1G，上面的情况需要在硬盘上分配 1G 的虚拟内存。硬盘的读写速度比内存慢很多，反复交换数据会消耗很多时间，所以如果你的内存太小，会严重影响计算机的运行速度，甚至会出现”卡死“现象，即使CPU强劲，也不会有大的改观。如果经济条件允许，建议将内存升级为 4G，在 win7、win8、win10 下运行软件就会比较流畅了。

 参考：《C语言和内存》（收费）