程序运行在内存中,而不是硬盘中

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。

现在的硬盘有两种形式,一种是固态硬盘(SSD),一种是机械硬盘(HDD)。

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。

所谓内存,就是我们常说的内存条,就是下图这个玩意,相信你肯定见过。

内存条
图1:内存条示意图

程序之所以要在内存中运行,因为内存的读写速度比硬盘快很多(通常超过一个数量级)。

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。

较新版本的 Word 为了避免内容丢失的问题,采用了一种「自动保存」机制,所以忘记 Ctrl+S 一般也不会有太大关系。

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,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 8G,这样在 Windows 7/8/10/11 下运行软件就会比较流畅了。

总结:CPU直接从内存中读取数据,处理完成后将结果再写入内存。

CPU、内存、硬盘和主板的关系
图2:CPU、内存、硬盘和主板的关系

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