程序是如何运行的？

在我们学习编程时，往往关注的是某种语言以及对应的使用环境，在此基础上完成我们的业务开发并部署运行。抛开这个最常见的层次，你是否自问过：我们开发的程序是如何在机器中运行的呢？这是计算机世界中最基础的问题。

要想理解这一点，需要先搞清楚这几个概念：

• 程序
  程序就是源代码经过编译器编译后的二进制数据，是指令和数据的集合。比如printf("helloworld\n")这行代码，printf代表指令，“helloworld”代表数据。至于编程语言如何变成指令和数据，这是编译器的工作，不细说。这里主要指需要经过编译的源代码，对于某些脚本语言，执行所依赖的解释器其实也是普通的程序，最终反映到计算机当中都是二进制数据。程序一般安装到外存中，如硬盘或Flash，掉电后数据不丢失。

• CPU
  CPU是计算机的核心大脑，负责解析和运算最终转换成机器语言的程序内容，从功能上来看由寄存器、控制器、运算器、时钟构成。各模块功能如下：

寄存器：用来暂存指令、数据等处理对象。
控制器：负责把内存上的指令、数据等读入寄存器、并根据指令的执行结果来控制计算机。
运算器：负责运算从内存读入寄存器的数据。
时钟：负责发出CPU开始计时的时钟信号。

• 内存
  内存指的是计算机的主存储器，其主要负责存储指令和数据，CPU通过内存地址值来读取或写入指令和数据。相对于外存，内存中的数据掉电后就丢失了。因为内存造价比外存贵多了，所以内存往往比外存空间小多了。当然，如果你够豪，给自己电脑装个1T大小的内存也是可以的。

• 外存
  具有永久保存数据的存储器，最常见的就是硬盘和Flash。既然有了外存，为什么还要内存呢？我认为主要是因为内存读取速度比外存要快很多，能够配合CPU的高频率，提高运行速率。否则，CPU主频那么快，而外存读取那么慢，指令数据处理时，这不让CPU在那等着干着急嘛。

在理解了上面几个概念后，我们来看一下程序是如何运行的？程序启动后，被从外存中复制到内存，然后CPU根据时钟信号，控制器会从内存中读取指令和数据，通过对这些指令加以解析和运行，运算器就会对数据进行运算，控制器根据运算结果控制计算机。

那么，程序是如何被加载到内存中的呢？要理解这个，需要先了解程序在内存中的分布。以Linux环境为例，其他环境大体类似，如下表几部分：

在将应用程序加载到内存空间执行时，操作系统或BootLoader负责代码段、数据段和BSS段的加载，并在内存中为这些段分配空间。栈也由操作系统分配和管理，堆由程序员自己管理，即显式地申请和释放空间。BSS段、数据段和代码段是可执行程序编译时的分段，栈和堆是运行时的分段。

【拓展】
我们思考一下嵌入式单片机的情况，一般嵌入式系统的硬件环境限制比较大，如CPU主频较低，内存（RAM）和Flash（ROM）空间很小。程序保存在ROM中，这种情况下，系统运行后，有时候程序就不会被加载到RAM中，而CPU直接从ROM中读取指令，RAM中只保存数据。这是因为，RAM空间很小，不足以存储程序；另外，因为CPU本身主频就不高，ROM的读取速度与CPU主频差距没有大型机那么大，完全可以接受。

以上，拙见~~~