本文并不会深入底层寄存器指令与硬件等内容，只是借此主题为后续内存管理章节作扫盲，并帮助各位对分层存储体系有一个整体的把握，以及一个程序在这样的存储体系上，究竟是如何运行起来的，这些存储器在这个过程又分别扮演了什么角色。

为什么设计了分层存储体系

其实早在操作系统系列开篇的那篇文章中，我就简单介绍过分层存储体系（Memory Hierarchy），先来回顾下（这里我参考的是《现代操作系统 — 第三版》这本书，其他有些资料可能会划分的更为细致，不过在理解本文的目的上，以下划分已经足够清晰了）：

各位不妨想一想，为什么需要设计出这样一个分层的存储体系来供计算机使用呢？

首先，有一个观点不用多说，每个人都希望自己的计算机拥有这样一个存储器：它容量无限大，CPU 访问它的速度无限快，并且能够永久性的存储数据（断电不会丢失数据），而且价格不能太高昂。

But，遗憾的是，现阶段的技术仍然满足不了我们的幻想。

为此，经过多年的探索，人们提出了分层存储体系的概念，把我们的幻想一个一个拆开对应到不同的存储器上。

在这个体系中，计算机拥有若干 KB 超级快速、超级昂贵且易失性的寄存器；若干 MB 快速、昂贵且易失性的高速缓存（cache）；若干 GB 的速度与价格都适中、且同样易失性的内存；以及若干 TB 低速、廉价、非易失性的磁盘存储；另外还有诸如磁带等可移动的存储装置。

至于为什么这些存储器的造价不同，那就和它们的成本、材料、制作工艺等息息相关了。寄存器超级快速且超级昂贵的原因就是它和 CPU 的制作材料是相同的，所以 CPU 访问起来几乎是没有时延的。

另外，这里多提一嘴内存，关于内存的分类众说纷纭，我觉得各位对内存的概念有大体的把握就行，不必过度死扣细节。

内存也经常被人们称为主存和随机访问存储器（Random Access Memory，RAM），还有我们上文说到内存是易失性的，其实这都不是绝对正确的，只不过是通俗的说法并且被大众所认可。

现在许多计算机都已经在使用少量的非易失性随机访问存储器，也就是只读存储器（Read Only Memory，ROM），它在工厂中就被编程完毕，然后再也不能被修改。ROM 速度快并且造价低廉，很多开发商都会把用于启动计算机的引导加载模块存放在 ROM 中。

装入内存，让程序跑起来

这里我先开门见山的总结一下内存和磁盘的区别，也方便大家更好的理解下面的例子。通俗来说，内存决定了你的计算机能够同时流畅运行多少个应用程序，而磁盘决定了你的计算机能够下载安装多少个应用程序。

举个例子，这里面涉及到一个很重要的概念，各位认真看哈：

比方说你的计算机上安装了 WeChat，你双击了 WeChat 快捷方式，操作系统就会打开 WeChat 软件。

那么，各位有没有想过，在分层的存储体系上，WeChat 或者各种应用程序在你的计算机上究竟是怎么跑起来的呢？这些存储器在这个过程又分别扮演了什么角色呢？

首先，有一点你要明确，你安装的 WeChat 软件是保存在磁盘中的。软件安装的本质是什么？各位应该也都明白，就是将很多数据的集合存储到磁盘上。

双击 WeChat 快捷方式，操作系统就会知道你要运行这个软件，它会在磁盘中找到你安装的 WeChat 软件，将运行所需要的数据从磁盘中复制到内存里。注意这里！WeChat 不是直接磁盘中运行的，而是在内存中运行的。

至于原因，那当然是内存的读写速度比磁盘快得多。

所以，为了缓和磁盘之间的速度不匹配问题，程序执行前必须将硬盘上的数据复制到内存，CPU 才能够着手处理，这个过程就叫作载入内存（Load into Memory），完成这个过程需要一个不可或缺的程序：载入器或者说加载器（Loader）。

CPU 直接与内存进行交互，它会读取内存中的数据进行处理，并将结果返回并保存到内存。当然，如果你还需要将数据保存到磁盘，复制操作也会在内存和磁盘直接发生一次。

比如说，我们打开了某个 Word 文档，并输入了一些文字，虽然我们直观看到的已经发生变化了，但是磁盘中存储的文档仍然没有改变，它仍然是之前的数据，新增的文字只是暂时保存到了内存，只有我们手动保存了这篇文档比如 Ctrl + s 才会将修改保存到磁盘中。

而由于内存是易失性的，也就是说断电后数据就丢失了，所以如果你编辑完 Word 文档忘记保存或者断电导致关机了，那么你将永远无法找回这些内容（悲剧