程序装载的问题

Posted 2021-07-08 ᝰFour Years

前言

在上面我们说过了程序在变成机器码的时候。需要通过装载器装载到内存中去，但是这其中还是有很多问题的，主要是以下两点

1. 可执行程序占用的空间应该是连续的，因为程序要一条条的往下执行，所以指令应当连续的储存在一起
2. 同时需要加载很多的程序，我们不能让程序自己选择加载到哪。计算机同时会运行多个程序，你不能规定他的地址、

为了解决这些问题，我们提出了虚拟内存来概念来解决这个问题
在我们执行的程序中，我们看见的都是他的虚拟内存，而我们也只需要去关注他的虚拟内存即可。在不同的程序中，我们可能会看到相同的内存地址，但是他们并不冲突。我们会维护不同的内存映射表，通过虚拟内存找到他的真实物理内存，这样执行出来的就是连续的地址空间。 同样的，我们为了减少系统的损耗，我们只用去维护他的起始地址和终止地址即可。

内存分段

下面就来详细的说说这个到底是怎么完成的，首先来说这个内存分段的问题，分段就是找出一片连续的物理内存和虚拟内存进行映射，段其实就是系统分配出来的连续内存空间。

但是这种方式会有一个问题，就是他会产生内存碎片，导致空间利用率非常的低

我们来看这样一个例子。我现在手头的这台电脑，有 1GB 的内存。我们先启动一个图形渲染程序，占用了 512MB 的内存，接着启动一个 Chrome 浏览器，占用了 128MB 内存，再启动一个 Python 程序，占用了 256MB 内存。这个时候，我们关掉 Chrome，于是空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。按理来说，我们有足够的空间再去装载一个 200MB 的程序。但是，这 256MB 的内存空间不是连续的，而是被分成了两段 128MB 的内存。因此，实际情况是，我们的程序没办法加载进来。

当然，我们解决这个问题的方式就是内存交换，我们可以把python那段程序读到硬盘上，然后重新的分配空间，紧跟在上面512M的空间后面就解决了这个问题。如果你自己安装过 Linux 操作系统，你应该遇到过分配一个 swap 硬盘分区的问题。这块分出来的磁盘空间，其实就是专门给 Linux 操作系统进行内存交换用的。

但是内存交换也有着问题，就是将程序写入磁盘，之后再将磁盘的数据写回内存需要花费大量的时间。如果是很大的程序还会导致机器变的卡顿。

内存分页

从上面我们知道了问题就是出在了交换的空间过多，所以我们又引出了内存分页这个概念，我们将一个程序分为许多固定的大小，而对应的虚拟内存也会被分为固定的大小，这样一个大小相同且空间连续的空间我们称为页

这样由于空间都是预先设定好的，就没有了不能使用的碎片，而只有被释放出来的页，在程序运行的时候，即使内存不够，也能交换出来一些页来（内存分页，在虚拟内存中是很多连续的页，而在物理内存中页的地址不一定是连续的，这解决了内存碎片的问题，同时程序运行的时候，并不需要一次加载完所以的内存，而是用到什么才去加载什么）
注：在上面的页的数据从硬盘到内存的过程中就是使用了内存交换技术

实际上，在操作系统中我们也是这样子去做的，当需要读取特定的页的时候，发现数据并没有加载到物理内存中的时候，会触发一个来自CPU的缺页错误，我们的操作系统会捕捉到这个错误，并将对应的页读到物理内存中，这样就使我们可以去运行那些远大于我们实际内存的程序了，任何程序都不需要一次性的加载完所有指令和数据，只需要加载当前能使用的就好。

通过虚拟内存，内存交换和内存分页三个技术组合，我们最终让一个程序不用考虑他的实际物理内存地址，大小很分配方案，任何程序只需要将内存当作一块完整而连续的空间使用即可，这也是我们计算中常用的一种方式，加入一个间接层