DELPHI的原子世界(4)

第三章 WIN32的时空观
我的老父亲看着地上玩玩具的小孙子，然后对我说：“这孩子和小时的你一样，喜欢把东西拆开，看过究竟才罢手”。想想我小时侯，经常将玩具车、小闹钟、音乐盒，等等，拆得一塌糊涂，常常被母亲训斥。
我第一次理解计算机的基本原理，与我拆过的音乐盒有关。那是在念高中时的一本漫画书上，一位白胡子老头在讲解智能机的理论，一位留八字胡的叔叔在说计算机和音乐盒。他们说，计算机的中央处理器就是音乐盒中用来发音的那一排音乐簧片，计算机程序就是音乐盒中那个小圆筒上密布的凸点，小圆筒的转动相当于中央处理器的指令指针的自然移动，而小圆筒上代表音乐的凸点控制音乐簧片振动发音相当于中央处理器执行程序的指令。音乐盒发出美妙的旋律，是按工匠早已刻在小圆筒上的音乐谱演奏的，计算机完成复杂的处理，是根据程序员预先编制好的程序实现的。上大学之后，我才知道那个白胡子老头就是科学巨匠图灵，他的有限自动机理论推动了整个信息革命的发展，而那个留八字胡的叔叔就是计算机之父冯.诺依曼，冯氏计算机体系结构至今仍然是计算机的主要体系机构。音乐盒没白拆，母亲可以宽心。
有深入浅出的理解，才能有高深而又简洁的创造。
这一章我们将讨论Windows的32位操作系统中与我们编程有关的基本概念，建立WIN32中正确的时空观。希望阅读完本章之后，我们能更加深入地理解程序、进程和线程，理解执行文件、动态连接库和运行包的原理，看清全局数据、局部数据和参数在内存中的真相。


第一节 理解进程
由于历史的原因，Windows是起源于DOS。而在DOS时代，我们一直只有程序的概念，而没有进程的概念。那时侯，只有操作系统的正规军，如UNIX和VMS等等，才有进程的概念，而且多进程就意味着小型机、终端和多用户，也意味着金钱。我绝大多数的时间只能使用相对廉价的微机和DOS系统，只是在学操作系统这门课程时才开始接触进程和小型机。
在Windows 3.X之后，Microsoft才在图形界面的操作系统站住脚跟，而我也是在这时开始正式面对多任务和进程的概念。以前在DOS下，同一时间只能执行一个程序，而在Windows下同一时间可执行多个程序，这就是多任务。在DOS下运行一个程序的同时，不能执行相同的程序，而在Windows下，同一程序可以同时有两个以上的副本在运行，每一个运行的程序副本就是一个进程。更确切地说，任何程序的一次运行就产生一个任务，而每个任务就是一个进程。
当将程序和进程放到一起理解时，可以认为程序一词说的是静态的东西，一个典型的程序是由一个EXE文件或一个EXE文件加上若干DLL文件组成的静态代码和数据。而进程是程序的一次运行，是在内存中动态运行的代码和动态变化的数据。当静态的程序要求运行时，操作系统将为本次运行提供一定的内存空间，把静态的程序代码和数据调入这些内存空间，将程序的代码和数据进行重定位映射之后，就在该空间内执行程序，这样就产生了动态的进程。
同一个程序同时运行着的两个副本，意味着在系统内存中有两个进程空间，只不过它们的程序功能是一样的，但处于不同的动态变化的状态之中。
从进程运行的时间上来说，各进程是同时执行的，专业术语称为并行执行或并发执行。但这主要是操作系统给我们的表面感觉，实际上各进程是分时执行的，也就是各进程轮流占用CPU的时间来执行进程的程序指令。对于一个CPU来说，同一时间只有一个进程的指令在执行。操作系统是调度进程运行的幕后操纵者，它不断保存和切换各进程在CPU中执行的当前状态，使得每一个被调度的进程都认为自己是完整和连续地运行着。由于进程分时调度的速度非常快，所以给我们的感觉就是进程都是同时运行的。其实，真正意义上的同时运行只有在多CPU的硬件环境中才有。稍后在讲述线程一节时，我们将发现，真正推动进程运转的是线程，进程更重要的是提供了进程空间。
从进程占据的空间上来说，各进程空间是相对独立的，每一个进程在自己独立的空间中运行。一个程序既包括代码空间又包括数据空间，代码和数据都要占据进程空间。Windows为每一进程所需的数据空间分配实际的内存，而对代码空间一般都采用共享手段，将一个程序的一份代码映射给该程序的多个进程。这意味着，如果一个程序有100K的代码并需要100K的数据空间，也就是总共需要200K的进程空间，则第一次运行程序时操作系统将分配200K的进程空间，而运行程序的第二个进程时，操作系统只分配100K的数据空间，而代码空间则共享前一个进程的空间。
上面所说的是Windows操作系统中进程的基本时空观，其实Windows的16位和32位操作系统在进程的时空观上有很大的差异。
从时间上来说，16位的Windows操作系统，如Windows 3.x等，进程管理是非常简单的，它实际上只是一个多任务管理操作系统。而且，操作系统对任务的调度是被动的，如果一个任务不自己放弃对消息的处理，操作系统就必须等待。由于16位Windows系统在管理进程方面的缺陷，一个进程运行时，完全占有着CPU的资源。在那个年代，为了16位Windows可以有机会调度别的任务，微软公司大力赞扬开发Windows应用程序的开发者是心胸宽阔的程序员，以使得他们乐意多编写几行恩赐给操作系统的代码。相反，WIN32的操作系统，如Windows 95和NT等，才是具备了真正的多进程和多任务操作系统的能力。WIN32中的进程完全由操作系统调度，一旦进程运行的时间片结束，不管进程是否还在处理数据，操作系统将主动切换到下一进程。严格地说，16位的Windows操作系统不能算是完整的操作系统，而32位的WIN32操作系统才是真正意义上的操作系统。当然，微软公司不会说WIN32弥补了16位Windows的缺陷，而是宣称WIN32实现了一种称为“抢占式多任务”的先进技术，这是商业手段。
从空间上看，16位的Windows操作系统中的进程空间虽然相对独立，但进程之间可已很容易地互相访问对方的数据空间。因为，这些进程实际是在相同的物理空间中的不同的数据段而已，而且不当的地址操作很容易造成错误的空间读写，并使操作系统崩溃。然而，在WIN32操作系统中，各进程空间完全是独立的。WIN32为每一个进程提供一个可达4G的虚拟的，并且是连续的地址空间。所谓连续的地址空间，是指每一个进程都拥有从$00000000到$FFFFFFFF的地址空间，而不是向16位Windows的分段式空间。在WIN32中，你完全不必担心自己的读写操作会无意地影响到其他进程空间中的数据，也不用担心别的进程会来骚扰你的工作。同时，WIN32为你的进程提供的连续的4G虚拟空间，是操作系统在硬件的支持下将物理内存映射给你的，你虽然拥有如此广阔的虚拟空间，但系统决不会浪费一个字节的物理内存。

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