第五问：一个程序从点击到启动发生了什么？

一个可执行程序（exe 文件）从用户双击启动到程序运行的过程可以分为以下8个主要阶段，下面结合硬盘、内存、缓存等机制，分阶段展开说明。

1. 用户触发启动

用户通过某种操作（如鼠标双击）触发程序启动，操作本质上通过输入设备将信号传递到 CPU 中的中断处理系统：

• 鼠标操作：
  • 鼠标信号通过 USB 或其他接口传递到 CPU 中的中断控制器。
  • 中断控制器触发操作系统事件（如鼠标点击事件）。
• 操作系统响应：
  • 操作系统捕获鼠标点击事件。
  • 图形界面处理模块（如 Windows 的桌面窗口管理器 DWM）识别到用户点击了某个 exe 文件的图标，调用相应的文件管理服务来处理启动请求。
    

2. 操作系统查找文件

操作系统通过文件系统模块定位exe文件，涉及硬盘与文件系统的交互：

1. 路径解析：
   • 如果是绝对路径，直接从根目录开始查找。
   • 如果是相对路径，操作系统会结合当前工作目录构造绝对路径。
2. 文件系统访问：
   • 文件系统（如 NTFS、ext4）查找目录项：
     • 读取磁盘中存储的文件目录结构，找到 exe 文件的元数据（文件的起始地址、大小等）。
   • 硬盘读取文件元数据：
     • 文件系统发出读取请求，经过 I/O 调度系统，硬盘控制器将元数据加载到内存中。
3. 权限验证：
   • 操作系统检查用户是否具有执行权限。

3. 进程创建

3.1 分配 PCB

操作系统分配一个进程控制块（PCB），包括以下信息：

• 进程 ID。
• 程序计数器（指向入口地址）。
• 寄存器快照。
• 虚拟内存表。
• 打开的文件句柄列表等。

3.2 初始化地址空间

• 操作系统为新进程分配一个独立的虚拟地址空间。
• 虚拟地址空间划分为以下部分：
  • 代码段：存储程序的机器指令。
  • 数据段：存储全局变量和静态变量。
  • 栈段：为函数调用和局部变量分配。
  • 堆段：动态分配的内存区域。
    

4. 可执行文件加载到内存

4.1 解析可执行文件结构

以 Windows 为例，exe 文件使用 PE（Portable Executable）格式，操作系统会：

• 读取文件头：
  • 通过磁盘 I/O，从硬盘将文件头读取到内存缓存。
  • 解析 PE Header，提取代码段、数据段、入口点等信息。
• 加载程序段：
  • 将硬盘上的 .text（代码段）、.data（数据段）、.rdata（只读段）等映射到内存。

4.2 硬盘到内存的数据传输

数据加载涉及以下硬件：

• 磁盘调度：
  • 操作系统调用磁盘驱动，通过 SATA、NVMe 或其他接口读取文件。
• DMA（Direct Memory Access）传输：
  • 硬盘控制器通过 DMA 将文件块直接传输到物理内存，而无需 CPU 参与，提升效率。
• 高速缓存：
  • 读取数据可能先加载到 CPU 的三级缓存（L1/L2/L3）中，以加速后续访问。

4.3 动态链接库加载

• 查找 DLL 文件路径：
  • 操作系统从注册表、系统路径、程序目录等位置查找所需的 DLL 文件。
• 加载 DLL 文件：
  • 与加载 exe 文件类似，将 DLL 的各个段映射到内存。
• 符号解析：
  • 将程序中对外部函数的调用（例如 printf）绑定到 DLL 中对应函数的实际地址。
    

5. 初始化程序上下文

操作系统为程序配置运行环境，包括：

1. 设置栈和堆：
   • 栈空间通常从高地址向低地址分配。
   • 堆空间从低地址向高地址分配。
2. 初始化寄存器：
   • 程序计数器（EIP/RIP）指向入口地址。
   • 栈指针（ESP/RSP）指向栈顶地址。
3. 运行 CRT（C 运行时库）初始化函数：
   • 初始化全局变量和静态变量。
   • 构造 C++ 对象。

6. 执行程序入口点

CPU 开始执行程序的第一条指令：

• CPU 取指令：
  • 从入口点地址（RIP/EIP）开始，读取指令到 L1 指令缓存。
• 指令解码与执行：
  • 解码指令并通过寄存器、内存等完成操作。
• 指令流水线：
  • CPU 使用指令流水线机制并行处理多条指令，提升执行效率。

7. 程序运行

程序从入口函数（如 main）开始，按照编译好的指令顺序执行：

1. 内存访问：
   • 虚拟地址通过 MMU（内存管理单元）转换为物理地址。
   • 如果数据不在内存，触发页面调度，从磁盘中加载页面到内存。
2. 缓存优化：
   • 经常访问的数据会保存在 CPU 的高速缓存中（L1/L2/L3）。
3. 系统调用：
   • 程序需要访问文件、网络等资源时，会通过系统调用切换到内核模式。

8. 程序退出

当程序结束时：

1. 释放资源：
   • 操作系统回收堆栈空间、文件句柄等资源。
2. 返回退出码：
   • 将程序的退出状态返回给父进程。
3. 销毁进程：
   • 从调度队列中移除，释放 PCB 和相关内存。

硬件交互简要总结

图形说明