波仔
⚙️ 第五章 内存与磁盘的密切联系
📄 一句话概括

CPU 只认内存地址，所以程序必须先被搬进内存；内存与磁盘的速度差着几个数量级，这一章就是在这道差上做文章。

📝 本节和前面几节的关系

第四章讲的是内存内部怎么摆，这一章把镜头拉远：看看内存外面那块又慢又大的磁盘。

一、CPU 只认内存

磁盘上的程序只是一堆字节，CPU 没办法直接照着它执行。 因为 CPU 只会干一件事：拿一个地址，去内存里取指令和数据。 它手上没有【文件】这个概念，也不认得磁盘上的目录和扇区。 所以程序要跑，第一步永远是把自己从磁盘搬进内存——这一步就叫【加载】。

二、加载这一步做了什么

最表面的动作是把可执行文件的内容复制到内存的一段连续区域里。 但搬运只是开始：还要给程序准备运行要用的东西——栈、堆，以及把里面写死的地址改成实际加载的位置。 做完这些，CPU 把 PC 指向程序的入口，程序才算真正【跑起来】。 （这些细节第八章会一条条拆开讲，这里先记住【必须搬】这一条。）

三、为什么不直接在磁盘上跑

因为速度差得太远：内存是纳秒级，机械磁盘是毫秒级。 CPU 取一条指令要几纳秒，要是每次都去问磁盘，CPU 就得干等几百万倍的时间。 所以才有那条著名的分层：CPU 缓存 → 内存 → 磁盘，一级比一级慢、一级比一级大。 每往下一层，就要多花一段等的时间——程序快不快，常常就取决于它在哪一层上卡住。

四、这一章的三个办法

既然速度差是根本矛盾，那就只能在它身上做文章，一共三条路： 少去磁盘——把读过的数据在内存里留一份（磁盘缓存，5.2）。 借磁盘用——内存不够时，把暂时用不上的部分挪到磁盘上（虚拟内存，5.3）。 换个不慢的磁盘——用没有机械动作的固态硬盘（5.4）。 剩下的两节回到程序自己：怎么少占内存（5.5），以及机械磁盘到底慢在哪（5.6）。

五、动手 Demo：程序加载到内存后才能运行

磁盘上的程序只是一堆字节，CPU 读不了它。 必须先搬进内存，CPU 才能按地址一条条取指令。

# 磁盘：约 150 MB/s，内存：约 10000 MB/s
mb = 100
for name, speed in (("内存", 10000.0),
                    ("固态硬盘", 2000.0),
                    ("机械硬盘", 150.0)):
    print("%s 载入 %d MB 要 %.2f 秒" % (name, mb, mb / speed))

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
程序加载到内存后才能运行
--------------------------------------------------------------------

**磁盘上的程序只是一堆字节，CPU 读不了它。**
必须先搬进内存，CPU 才能按地址一条条取指令。

  拿一个 100 MB 的程序试试，三种介质各要多久：

  介质         大致速度          载入 100 MB 要多久
  --------------------------------------------------
  内存         约 10000 MB/s     约 0.01 秒
  固态硬盘     约 2000 MB/s      约 0.05 秒
  机械硬盘     约 150 MB/s       约 0.67 秒

  同一份 100 MB，从内存拿和从机械硬盘拿差了 67 倍。

  再看一个真实的量级感受——**在内存里造 100 万个格子**：

    申请到的字节数    1000000
    这个对象本身占    1000057 字节
    访问第 999999 个   0（一步到位，跟访问第 0 个一样快）

  **这就是为什么【启动一个软件要等几秒】：**
  等的不是算，是搬——**CPU 一旦拿到代码，跑起来是很快的。**

同样一份 100 MB，内存拿和机械硬盘拿差了 67 倍。 启动软件时那几秒，等的是搬，不是算。

30 秒实验

  1. 算一算你的操作系统开机时要从磁盘读多少数据，按 150 MB/s 要多久。
  2. 想想为什么程序第一次打开总是比第二次慢。

常见误区

  1. 以为程序可以放在磁盘上直接跑。CPU 只认内存地址。
  2. 以为加载就是单纯的复制。还要准备栈、堆并修正地址。
自测三问（点开对答案） 1. 为什么程序必须先加载到内存？ —— CPU 只能按内存地址取指令和数据，它不认识磁盘上的文件。 2. 加载这一步除了复制还做了什么？ —— 还要准备栈和堆等运行环境，并把程序中写死的地址改成实际加载的位置。 3. 内存和磁盘的速度差多少？ —— 内存是纳秒级、机械磁盘是毫秒级，相差约百万倍。

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