关于指令、数据、程序和进程的一些思考

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从动态链接库说起

关于指令和数据的思考实际上是从写一个汇编语言课设开始的，当时要在Windows下写一个截获键盘操作的win32程序，老师推荐了一本《Windows环境下32位汇编语言程序设计》。（实际上这个课设就是这本书上的一个例子）

截获键盘操作就是要靠钩子函数，而使用钩子函数必须使用动态链接库。关于动态链接库，《设计》中有如下叙述：

如果有多个程序用到同一个动态链接库，Windows在物理内存中只保留一份库的代码，仅通过分页机制将这份代码映射到不同进程的地址空间中，这样不管有多少程序在使用一个库，库代码实际占用的物理内存永远只有一份。

……

有一个最重要的概念一定要牢记：动态链接库是被映射到其他应用程序的地址空间中执行的，它和应用程序可以看成是“一体”的，动态链接库可以使用应用程序的资源，它所拥有的资源也可以被应用程序使用，它的任何操作都是代表应用程序进行的，当动态链接库进行打开文件、分配内存和创建窗口等操作后，这些文件、内存和创建窗口等操作后，这些文件、内存和窗口都是为应用程序所拥有的。

由于当时并没有学习操作系统等相关的知识，头脑中也没有进程的概念，那时我就想不明白，多个程序如何共享同一段内存中的指令：万一程序A也执行这段指令，程序B也执行这段指令，执行不会乱套吗？数据不会混在一起吗？我做了如下批注，“多个程序在同一时刻同时执行该代码怎么办？”

当时急于赶作业，也没有往下深究，直到最近看CSAPP看到了链接一章，才又想起这个问题，由于已经在学操作系统了，我就来把我的思考分享一下。

进程

先来说说什么是进程。进程并不是程序，程序只是一些存储在磁盘上的指令和数据。当需要执行这个程序时，操作系统就要创建一个进程，形成该进程的进程控制块（Process Control Block，PCB），这个进程控制块记录了这个进程的许多信息，比如进程标识符，进程状态、CPU现场保护区、占有资源清单等。然后操作系统把程序的指令和数据加载到指定的内存区域，一个进程就形成了。即进程就是一个运行着的程序，它占用着诸如内存、IO设备之类的资源，包含了加载到内存中的程序的指令和数据，以及进程控制块。

进程有着它的状态，可能正在运行着，可能等待着把数据从硬盘到内存加载完成，也可能因为CPU正在运行其他进程的指令而不得不等一会。CPU现场保护区也是一个很重要的东西，当一个进程由于某种原因变成非运行状态时，操作系统就会将一些信息保存到这里，比如通用寄存器、程序计数器和状态寄存器等。

思考

好，现在回到一开始所说的动态链接库，我们来看看为什么只保存一份代码也能让多个进程无冲突地运行着。动态链接库的代码映射到进程的地址空间，即逻辑上变成这个进程中的指令的一部分。它可能同时映射到了多个进程的地址空间中，这些进程在某一个时刻只有一个在运行着。当某个进程执行到动态链接库的指令时，CPU一条条将指令加载到指令寄存器，然后CPU根据这些指令进行使用资源（比如push、pop、in、out），进行计算（比如add、sub、mlu、div）等操作，然后将中间结果存到寄存器中。如果进行到一半，这个进程的时间片用光了，那操作系统就将CPU现场保存下来，将另一个进程的CPU现场恢复，然后将控制转移至新的进程，它也可以将动态链接库中的指令加载到指令寄存器中，然后利用自己的数据以及CPU现场进行各种操作。然后可能时间片使用完毕，保存CPU现场，加载另一个进程的CPU现场。就在这CPU现场保存和恢复的过程中，进程间就不存在任何干扰了。最重要的是，CPU现场信息并不属于某段指令，它归进程所有。指令只是在指挥CPU怎样使用这些数据（很可能对不同的数据有不同的指挥），然后将中间数据保存在CPU或栈中，新的指令可以继续指挥CPU使用这些中间数据，得到最终结果后将结果以某种方式输出。

总结

我们可以将计算机计算的过程比作炒菜：指令是菜谱，数据是食材，CPU就是你，当然还有寄存器就是锅碗瓢盆，各种资源比如保温箱。你要根据菜谱来处理食材，处理到一定程度先放到碗里，然后处理别的食材，最后把它们合到一起处理，全部处理完就可以上桌了。不同的菜可能有些处理步骤是相同的，比如如何将葱炒香，你为了节约纸张，就单独把它印了出来，放到菜谱第xx页，然后哪道菜菜谱需要写如何将葱炒香的地方就写个具体过程见xx页就可以了。你可能一个菜做一半需要将食材煮半个小时，你不能只等着煮好啊，你就将这道菜其他处理到一般的食材放到保温箱里，腾出碗来先炒别的菜。可能上道菜有将葱花炒香的过程，这道菜还有，这并不影响，你还可以再看。上道菜的食材煮好了，把碗里东西放进保温箱，取出上道菜其他的中间食材，然后从菜谱刚才的地方开始接着处理。

现在想想，当时我的想法犯了以下错误：1）对于单核CPU根本不存在所谓的“同时执行”的情况，不考虑流水线的话，CPU中每个时刻只有一条指令在执行。所以不可能两个进程同时读取这一条指令。2）进程的数据以及中间计算结果是进程私有的（共享数据除外），即使多个进程并发运行，操作系统也会在进程切换时维护这些进程私有的数据，而不会让一个进程访问或修改了另一个进程的数据（即使在它们执行同一段指令）。

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