重学计算机组成原理(8)-程序是如何被装载的

80年代640K内存对哪个人都够用了。那时微软开发的还是DOS os，程序员们还在想如何压榨完有限的640K内存。 而现在，随便一个笔记本都16G内存了，比那时多了一万倍。那当时这种言论是无稽之谈吗？为何觉得这么小内存就够了呢？

1 如何才能实现程序装载？

在运行这些可执行文件时，是通过装载器解析ELF或PE格式的可执行文件。

装载器会将对应指令和数据加载到内存，让CPU去执行。

要实现装载到内存，则装载器需满足：

• 可执行程序加载后，占用的内存空间是连续的 执行指令时，程序计数器是顺序一条条指令执行。这就要求这一条条指令得连续存储
• 需同时加载很多个程序 && 不能让程序自己规定在内存中加载的位置 虽编译出的指令里已有对应的各种内存地址，但实际加载时，其实无法确保这个程序一定加载在哪段内存地址。因为现在计算机通常会同时运行很多个程序，可能你想要的内存地址已被其他加载了的程序占用了

如何才能满足如上需求呢？

可在内存里，找到一段连续内存空间，然后分配给装载的程序，然后把这段连续的内存空间地址，和整个程序指令里指定的内存地址做个映射：

• 指令里用到的内存地址叫虚拟内存地址（Virtual Memory Address）
• 实际在内存硬件里的空间地址，叫物理内存地址（Physical Memory Address）

程序里有指令和各种内存地址，但只需关心虚拟内存地址。 任一程序，它看到的都是同样的内存地址。我们维护一个虚拟内存到物理内存的映射表，这样实际程序指令执行时，会通过虚拟内存地址，找到对应物理内存地址，然后执行。 因为是连续内存地址空间，所以只需维护映射关系的：

• 起始地址
• 对应的空间大小

2 内存分段（Segmentation）

找出一段连续的物理内存和虚拟内存地址进行映射的方法。这里的段指系统分配出来的那个连续的内存空间。

这很好，解决了程序本身无需关心具体物理内存地址的问题，但也有不足，如

内存碎片（Memory Fragmentation）

比如电脑有1GB内存，先启动一个 图形渲染，占了512MB内存，接着启动个Chrome，占了128MB内存，再启动一个Py程序，占了256MB内存。

现在关掉Chrome，空闲内存还有：

讲道理，已有足够的空间再装载个200MB程序。但这256MB内存空间并非连续，而是被分成两段128MB内存。于是实际上我们的程序无法被加载进来。

如何解决这个问题呢？

内存交换（Memory Swapping）

可将Py程序所用256MB内存写到硬盘，再从硬盘读回到内存。读回时，不再把它加载到原来位置，而是紧跟在那已被占用的512MB内存后。

这就有了连续的256MB内存空间，就能去加载个新的200MB程序。 若你安装过Linux，你肯定遇到过分配一个swap硬盘分区抉择，这块分出的磁盘空间，就是给Linux进行内存交换用的。

虚拟内存、分段，再加上内存交换，三驾马车，看起来已完美解决计算机同时装载运行很多个程序的问题。不过仍有性能瓶颈：

• 硬盘的访问速度比内存慢太多
• 每次内存交换，都要把一大段连续内存数据写到硬盘

所以，若内存交换时，交换的是个很占内存空间的程序，整个机器会变得卡顿。

3 内存分页

既然问题原因是：

• 内存碎片
• 内存交换的空间太大

则解决方案自然就是想着：

• 怎么少出现内存碎片
• 当需内存交换时，让需交换写入或从磁盘装载的数据更少一点

于是内存管理给出了 内存分页（Paging） 方案。

和分段这样分配一整段连续的空间给到程序相比，分页是把整个物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。而对应程序所需占用的虚拟内存空间，也会切成一段段固定尺寸的大小。

这一个个连续&&尺寸固定的内存空间，叫页（Page）。 从虚拟内存 =》物理内存的映射，不再是拿整段连续的内存的物理地址，而是按一个个页，一般来说：

Linux下，通常设置成4KB，可查看：

• Linux设置的页大小

• macOS 的内存页大小

由于内存空间都是预先划分好的，也就没有不能使用的碎片，而只有被释放出来的很多4K的页。 即使内存空间不够，需要让现有的、正在运行的其他程序通过内存交换释放出一些内存页出来，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或几个页，不会花太多时间，让整个机器被内存交换的过程给卡住。

分页的方式使得加载程序的时候，不再需要一次性把程序加载到物理内存中。 可在进行虚拟内存、物理内存页之间的映射后，并不真的把页加载到物理内存，而是只在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存。

os也就是这么做的，当要读取特定的页，却发现数据并未加载到物理内存，就会触发来自CPU的缺页错误（Page Fault）。 os会捕捉到这个错误，然后将对应页，从存放在硬盘上的虚拟内存读出，加载到物理内存。 这使得可以运行那些远大于我们实际物理内存的程序。同时，任何程序都无需一次性加载完所有指令和数据，只需加载当前所需的。

通过虚拟内存、内存交换和内存分页技术组合，最终得到了一个让程序无需考虑实际物理内存地址、大小和当前分配空间的解决方案。 这些技术和方法，对于我们程序的编写、编译和链接过程都是透明的。这也是我们在计算机的软硬件开发中常用的一种方法，就是加入一个间接层。

通过引入虚拟内存、页映射和内存交换，程序不再需考虑对应真实内存地址、程序加载、内存管理等问题。 任一程序只需把内存当成是一块完整而连续的空间来直接使用即可，其它都是 os 保姆帮你做好的。

4 总结

在虚拟内存、内存交换和内存分页这三者结合之下，要运行一个程序，“必需”的内存是很少的。CPU只需要执行当前的指令，极限情况下，内存也只需要加载一页就好了。 再大程序，也可分成一页。每次，只在需要用到对应的数据和指令的时候，从硬盘上交换到内存里面来就好了。 以现在4K内存一页的大小，640K内存也能放下足足160页呢，也无怪乎在比尔·盖茨会说出“640K ought to be enough for anyone”。

不过硬盘的访问速度比内存慢很多，所以我们现在的计算机没有几G内存都不好意思卖。

除了程序分页装载这种方式之外，还有其他优化内存使用的方式：“动态装载”，请见后文分解。

FAQ

在Java这样使用虚拟机的编程语言里，程序是怎么装载到内存里的？也和本文一样，通过内存分页和内存交换的方式加载到内存里面来的么？

JVM已是上层应用，无需考虑物理分页，一般更直接是考虑对象本身空间大小，物理硬件管理统一由承载JVM的os解决。

参考

• 深入浅出计算机组成原理
• 《程序员的自我修养——链接、装载和库》的第1章和第6章