程序装载

程序装载：“640K内存”真的不够用么？

程序装载面临的挑战

通过链接器，把多个文件合并为一个最终可执行文件。在执行这些可执行文件的时候，就是通过一个装载器，解析ELF 或 PE 格式的可执行文件。装载器把对应的指令和数据加到内存中，让CPU 去执行。

• 所以装载器实际上要满足两个要求

一、可执行程序加载后占用的内存空间应该是连续的，在执行指令的时候，程序计数器是顺序的一条一条指令执行下去，这也意味着，这些指令需要连续的存储在一起。

二、我们需要同时加载多个程序，并且不能让程序自己规定在内存中加载的位置。虽然编译出来的指令有了对应的各种各样的内存地址，但是实际加载的时候，是没有办法确保，这个程序一定加载在那一段内存地址上。因为我们现在的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经被其他加载了的程序占用了。

要满足这两个基本的要求，一个办法就是我们可以在内存里面，找到一段连续的内存空间，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一个映射。

把指令里用到的内存地址叫作虚拟内存地址（Virtual Memory Address），实际在内存硬件里面的空间地址，我们叫物理内存地址（Physical Memory Address）。

程序里有指令和各种内存地址，我们只需要关心虚拟内存地址就行了。对于任何一个程序来说，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的时候，会通过虚拟内存地址，找到对应的物理内存地址，然后执行。

因为是连续的内存地址空间，所以我们只需要维护映射关系的起始地址和对应的空间大小。

内存分段

这种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，我们叫分段（Segmentation） 。这里的段，指的是系统分配出来的那个连续的内存空间。

分段存在一个问题 就是内存碎片。

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。

这个也有办法解决。解决的办法叫内存交换（Memory Swapping）。

(Memory swapping )可以将Python 程序占用的那256MB 的内存写到硬盘上，然后再从硬盘读回到内存里。读回来的时候，它被加载到那个占用了的512MB内存的后面。这样，我们就有了连续的 256MB 内存空间，就可以去加载一个新的 200MB 的程序。

• 虚拟内存、分段再加上内存交换，看似解决了计算机同时装载多个程序的问题，但是会遇到性能瓶颈。硬盘访问速度比内存要慢的多，每一次内存交换都需要把一大段的连续内存数据写到磁盘上，所以交换非常占内存空间，会引起卡顿。

内存分页

为了少出现一些内存碎片，另外，当需要进行内存交换的时候，让需要交换写入或者从磁盘装载的数据更少一点，在现在计算机的内存管理里面，就叫作内存分页（Paging）。

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(4kB)。而对应程序所需要占用的虚拟内存空间，也同样切成一段段固定尺寸的大小。这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫页（Page）。从虚拟内存到物理内存的映射，不再是拿整段连续的内存的物理地址，而是按照一个一个页来的。页的尺寸一般远远小于整个程序的大小

由于内存空间都是预先划分好的，也就没有了不能使用的碎片，而只有被释放出来的很多 4KB 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的页出来，一次写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，让整个机器被内存交换过程给卡住。

更进一步地，分页的方式使得我们在加载程序的时候，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中。而是只在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里的指令和数据是，再加载到物理内存里面去。

当要读取特定的页，却发现数据并没有加载到物理内存里的时候，就会触发一个来自于 CPU 的缺页错误（Page Fault）。当 OS 捕捉到这个错误时，将对应的页从存放在硬盘上的虚拟内存读取出来，加载到物理内存里。这种方式，使得我们可以运行那些远大于我们实际物理内存的程序（只需要加载到当前需要用到的就行）

• 通过虚拟内存、内存交换和内存分页这三个技术的组合，我们得到了一个让程序不需要考虑实际的物理内存地址、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。）
• 任何一个程序，都只需要把内存当成是一块完整而连续的空间来直接使用。

总结延伸

实要运行一个程序，“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。再大的程序，也可以分成一页。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。以我们现在 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”这样的话。

不过呢，硬盘的访问速度比内存慢很多，所以我们现在的计算机，没有个几 G 的内存都不好意思和人打招呼。

除了程序分页装载这种方式之外，我们还有其他优化内存使用的方式么？其实“动态装载”也是可以优化内存使用。

思考：

在 Java 这样使用虚拟机的编程语言里面，我们写的程序是怎么装载到内存里面来的呢？它也和我们讲的一样，是通过内存分页和内存交换的方式加载到内存里面来的么？

一、首先，我们编写的Java程序，即源代码.java文件经过编译生成字节码文件.class；

然后，创建JVM环境，即查找和装载libjvm.so文件；

最后，通过创建JVM实例，加载主类的字节码文件到系统给该JVM实例分配的内存中；

二、ava代码的执行需要JVM环境，JVM环境的创建就是查找和装载libjvm.so文件：装载libjvm.so是通过内存分页和内存交换的方式加载到内存的。
字节码文件是通过类加载器加载到主类文件对应的JVM实例的内存空间中的，这一部分不是使用内存分页和内存交换的方式来管理的，使用的是JVM的内存分配策略来管理的；