第一：解决：程序在计算机中是如何运行的问题
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。
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。
为什么呢？因为内存的读写速度比硬盘快很多。
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。
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，简称 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 4G，在 win7、win8、win10 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。
第二：解决：程序内部运行基本逻辑的问题
程序是保存在硬盘中的，要载入内存才能运行，CPU也被设计为只能从内存中读取数据和指令。
对于CPU来说，内存仅仅是一个存放指令和数据的地方，并不能在内存中完成计算功能，例如要计算 a = b + c，必须将 a、b、c 都读取到CPU内部才能进行加法运算。为了了解具体的运算过程，我们不妨先来看一下CPU的结构。
CPU是一个复杂的计算机部件，它内部又包含很多小零件，如下图所示：
运算单元是CPU的大脑，负责加减乘除、比较、位移等运算工作，每种运算都有对应的电路支持，速度很快。
寄存器（Register）是CPU内部非常小、非常快速的存储部件，它的容量很有限，对于32位的CPU，每个寄存器一般能存储32位（4个字节）的数据，对于64位的CPU，每个寄存器一般能存储64位（8个字节）的数据。为了完成各种复杂的功能，现代CPU都内置了几十个甚至上百个的寄存器，嵌入式系统功能单一，寄存器数量较少。
我们经常听说多少位的CPU，指的就是寄存器的的位数。现在个人电脑使用的CPU已经进入了64位时代，例如 Intel 的 Core i3、i5、i7 等。
寄存器在程序的执行过程中至关重要，不可或缺，它们可以用来完成数学运算、控制循环次数、控制程序的执行流程、标记CPU运行状态等。例如，EIP（Extern Instruction Pointer ）寄存器的值是下一条指令的地址，CPU执行完当前指令后，会根据 EIP 的值找到下一条指令，改变 EIP 的值，就会改变程序的执行流程；CR3 寄存器保存着当前进程页目录的物理地址，切换进程就会改变 CR3 的值。
第三：解决：MMU在内存中的控制逻辑
通过页表完成虚拟地址和物理地址的映射时，要经过多次转换，还要进行计算，如果由操作系统来完成这项工作，那将会成倍降低程序的性能，得不偿失，所以这种方式是不现实的。
MMU
在CPU内部，有一个部件叫做MMU（Memory Management Unit，内存管理单元），由它来负责将虚拟地址映射为物理地址，如下图所示：
在页映射模式下，CPU 发出的是虚拟地址，也就是我们在程序中看到的地址，这个地址会先交给 MMU，经过 MMU 转换以后才能变成了物理地址。
即便是这样，MMU也要访问好几次内存，性能依然堪忧，所以在MMU内部又增加了一个缓存，专门用来存储页目录和页表。MMU内部的缓存有限，当页表过大时，也只能将部分常用页表加载到缓存，但这已经足够了，因为经过算法的巧妙设计，可以将缓存的命中率提高到 90%，剩下的10%的情况无法命中，再去物理内存中加载页表。
有了硬件的直接支持，使用虚拟地址和使用物理地址相比，损失的性能已经很小，在可接受的范围内。
MMU 只是通过页表来完成虚拟地址到物理地址的映射，但不会构建页表，构建页表是操作系统的任务。在程序加载到内存以及程序运行过程中，操作系统会不断更新程序对应的页表，并将页目录的物理地址保存到 CR3 寄存器。MMU 向缓存中加载页表时，会根据 CR3 寄存器找到页目录，再找到页表，最终通过软件和硬件的结合来完成内存映射。
CR3 是CPU内部的一个寄存器，专门用来保存页目录的物理地址。
每个程序在运行时都有自己的一套页表，切换程序时，只要改变 CR3 寄存器的值就能够切换到对应的页表。
对内存权限的控制
MMU 除了能够完成虚拟地址到物理地址的映射，还能够对内存权限进行控制。在页表数组中，每个元素占用4个字节，也即32位，我们使用高20位来表示物理页编号，还剩下低12位，这12位就用来对内存进行控制，例如，是映射到物理内存还是映射到磁盘，程序有没有访问权限，当前页面有没有执行权限等。
操作系统在构建页表时将内存权限定义好，当MMU对虚拟地址进行映射时，首先检查低12位，看当前程序是否有权限使用，如果有，就完成映射，如果没有，就产生一个异常，并交给操作系统处理。操作系统在处理这种内存错误时一般比较粗暴，会直接终止程序的执行。
请看下面的代码：
#include <stdio.h> int main() { char *str = (char*)0XFFF00000; //使用数值表示一个明确的地址 printf("%s\n", str); return 0; }
这段代码不会产生编译和链接错误，但在运行程序时，为了输出字符串，printf() 需要访问虚拟地址为 0XFFFF00000 的内存，但是该虚拟地址是被操作系统占用的（下节会讲解），程序没有权限访问，会被强制关闭，如下图所示：
而在Linux下，会产生段错误（Segment Fault），相信大家在编程过程中会经常见到这种经典的内存错误。
第四：解决：栈实现以及控制逻辑的问题
程序的虚拟地址空间分为多个区域，栈（Stack）是其中地址较高的一个区域。栈（Stack）可以存放函数参数、局部变量、局部数组等作用范围在函数内部的数据，它的用途就是完成函数的调用。
栈内存由系统自动分配和释放：发生函数调用时就为函数运行时用到的数据分配内存，函数调用结束后就将之前分配的内存全部销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部。
栈的概念
在计算机中，栈可以理解为一个特殊的容器，用户可以将数据依次放入栈中，然后再将数据按照相反的顺序从栈中取出。也就是说，先放入的数据最后才能取出，而最后放入的数据必须先取出。这称为先进后出（First In Last Out）原则。
放入数据常称为入栈或压栈（Push），取出数据常称为出栈或弹出（Pop）。如下图所示：
图：数据的出栈和入栈
可以发现，栈底始终不动，出栈入栈只是在移动栈顶，当栈中没有数据时，栈顶和栈底重合。
从本质上来讲，栈是一段连续的内存，需要同时记录栈底和栈顶，才能对当前的栈进行定位。在现代计算机中，通常使用ebp寄存器指向栈底，而使用esp寄存器指向栈顶。随着数据的进栈出栈，esp 的值会不断变化，进栈时 esp 的值减小，出栈时 esp 的值增大。
ebp 和 esp 都是CPU中的寄存器：ebp 是 Extend Base Pointer 的缩写，通常用来指向栈底；esp 是 Extend Stack Pointer 的缩写，通常用来指向栈顶。
如下图所示是一个栈的实例：
栈的大小以及栈溢出
对每个程序来说，栈能使用的内存是有限的，一般是 1M~8M，这在编译时就已经决定了，程序运行期间不能再改变。如果程序使用的栈内存超出最大值，就会发生栈溢出（Stack Overflow）错误。
一个程序可以包含多个线程，每个线程都有自己的栈，严格来说，栈的最大值是针对线程来说的，而不是针对程序。
栈内存的大小和编译器有关，编译器会为栈内存指定一个最大值，在 VC/VS 下，默认是 1M，在 C-Free 下，默认是 2M，在 Linux GCC 下，默认是 8M。
当然，我们也可以通过参数来修改栈内存的大小。以 VS2010 为例，在工程名处右击，会弹出一个菜单，选择“属性”，会出现一个对话框，如下图所示：
该图中，我们将栈内存设置为 4M。提示：栈也经常被称为堆栈，而堆依然称为堆，所以堆栈这个概念并不包含堆，大家要注意区分。
当程序使用的栈内存大于默认值（或者修改后的值）时，就会发生栈溢出（Stack Overflow）错误。使用 VS2010 并切换到 Debug 模式，运行如下的代码
int main(){ char str[1024*1024*2] = {0}; return 0; }
局部字符数组 str 存储在栈上，占用 2M 的内存，超出了默认值 1M，所以会发生栈溢出错误，如下图所示：
EBP、ESP 寄存器用来指向栈的底部和顶部，函数调用会改变 EBP 和 ESP 的值。
那么，在CPU内部为什么又要设置缓存呢？虽然内存的读取速度已经很快了，但是和CPU比起来，还是有很大差距的，不是一个数量级的，如果每次都从内存中读取数据，会严重拖慢CPU的运行速度，CPU经常处于等待状态，无事可做。在CPU内部设置一个缓存，可以将使用频繁的数据暂时读取到缓存，需要同一地址上的数据时，就不用大老远地再去访问内存，直接从缓存中读取即可。
大家在购买CPU时，也会经常关心缓存容量，例如 Intel Core i7 3770K 的三级缓存为 8MB，二级缓存为 256KB，一级缓存为 32KB。容量越大，CPU越强悍。
缓存的容量是有限的，CPU只能从缓存中读取到部分数据，对于使用不是很频繁的数据，会绕过缓存，直接到内存中读取。所以不是每次都能从缓存中得到数据，这就是缓存的命中率，能够从缓存中读取就命中，否则就没命中。关于缓存的命中率又是一门学问，哪些数据保留在缓存，哪些数据不保留，都有复杂的算法。
CPU指令
要想让CPU工作，必须借助特定的指令，例如 add 用于加法运算，sub 用于除法运算，cmp 用于比较两个数的大小，这称为CPU的指令集（Instruction Set）。我们的C语言代码最终也会编译成一条一条的CPU指令。不同型号的CPU支持的指令集会有所差异，但绝大部分是相同的。
我们以C语言中的加法为例来演示CPU指令的使用。假设有下面的C语言代码：
int a = 0X14, b = 0XAE, c; c = a + b;
在VS2010 Debug模式下生成的CPU指令为：
mov ptr[a], 0X14 mov ptr[b], 0XAE mov eax, ptr[a] add eax, ptr[b] mov ptr[c], eax
mov 和 add 都是CPU指令：
1) mov 用来将一个数值移动到一个存储位置。这个数值可以是一个常数，也可以在内存或者寄存器上；这个存储位置可以是寄存器或者内存。
第一条指令中，ptr[a]表示变量 a 的地址，0X14是一个数值，mov ptr[a], 0X14表示把数值 0X14 移动到 ptr[a] 指向的内存，也就是给变量 a 赋值。第二条指令与此类似。
第三条指令中，eax是寄存器的名字，该寄存器常用在加法运算中，用来保存某个加数或运算结果，mov eax, ptr[a]表示把变量 a 的值移动到寄存器 eax 中。
第五条指令表示把寄存器 eax 的值移动到变量 c 中，此时 exa 中的值为 a、b 相加的和。
2) add 用来将两个数值相加，这两个数值可以在寄存器或者内存中，add 会将相加的结果放在第一个数所在的位置。第四条指令add eax, ptr[b]表示把 eax 和 ptr[b] 中的数值相加，并把结果放在 eax 中。
总起来讲：第一二条指令给变量 a、b 赋值，第三四条指令完成加法运算，第五条指令将运算结果赋值给变量 c。
实际上，上面的代码是汇编语言，不是CPU指令，汇编语言还要经过简单的转换才能成为CPU指令；为了更加容易地说明问题，这些语句也没有严格遵守汇编的语法。有兴趣的同学可以自行学习汇编语言，这里不再展开讲解。
总结：学会CPU的简单构造以及CPU指令，重点是让大家认识寄存器这个小而快速的存储部件，它在程序运行过程中起着至关重要的作用，CPU就是用它来记录程序的运行状态，然后根据它的值再决定下一步的操作。
