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本文並不會深入底層暫存器指令與硬體等內容，只是藉此主題為後續記憶體管理章節作掃盲，並幫助各位對分層儲存體系有一個整體的把握，以及一個程式在這樣的儲存體系上，究竟是如何執行起來的，這些儲存器在這個過程又分別扮演了什麼角色。
為什麼設計了分層儲存體系
其實早在作業系統系列開篇的那篇文章中，我就簡單介紹過分層儲存體系（Memory Hierarchy），先來回顧下（這裡我參考的是《現代作業系統 — 第三版》這本書，其他有些資料可能會劃分的更為細緻，不過在理解本文的目的上，以下劃分已經足夠清晰了）：
各位不妨想一想，為什麼需要設計出這樣一個分層的儲存體系來供計算機使用呢？
首先，有一個觀點不用多說，每個人都希望自己的計算機擁有這樣一個儲存器：它容量無限大，CPU 訪問它的速度無限快，並且能夠永久性的儲存資料（斷電不會丟失資料），而且價格不能太高昂。
But，遺憾的是，現階段的技術仍然滿足不了我們的幻想。
為此，經過多年的探索，人們提出了分層儲存體系的概念，把我們的幻想一個一個拆開對應到不同的儲存器上。
在這個體系中，計算機擁有若干 KB 超級快速、超級昂貴且易失性的暫存器；若干 MB 快速、昂貴且易失性的快取記憶體（cache）；若干 GB 的速度與價格都適中、且同樣易失性的記憶體；以及若干 TB 低速、廉價、非易失性的磁碟儲存；另外還有諸如磁帶等可移動的儲存裝置。
至於為什麼這些儲存器的造價不同，那就和它們的成本、材料、製作工藝等息息相關了。暫存器超級快速且超級昂貴的原因就是它和 CPU 的製作材料是相同的，所以 CPU 訪問起來幾乎是沒有時延的。
另外，這裡多提一嘴記憶體，關於記憶體的分類眾說紛紜，我覺得各位對記憶體的概念有大體的把握就行，不必過度死扣細節。
記憶體也經常被人們稱為主存和隨機訪問儲存器（Random Access Memory，RAM），還有我們上文說到記憶體是易失性的，其實這都不是絕對正確的，只不過是通俗的說法並且被大眾所認可。
現在許多計算機都已經在使用少量的非易失性隨機訪問儲存器，也就是隻讀儲存器（Read Only Memory，ROM），它在工廠中就被程式設計完畢，然後再也不能被修改。ROM 速度快並且造價低廉，很多開發商都會把用於啟動計算機的引導載入模組存放在 ROM 中。
裝入記憶體，讓程式跑起來
這裡我先開門見山的總結一下記憶體和磁碟的區別，也方便大家更好的理解下面的例子。通俗來說，記憶體決定了你的計算機能夠同時流暢執行多少個應用程式，而磁碟決定了你的計算機能夠下載安裝多少個應用程式。
舉個例子，這裡面涉及到一個很重要的概念，各位認真看哈：
比方說你的計算機上安裝了 WeChat，你雙擊了 WeChat 快捷方式，作業系統就會開啟 WeChat 軟體。
那麼，各位有沒有想過，在分層的儲存體系上，WeChat 或者各種應用程式在你的計算機上究竟是怎麼跑起來的呢？這些儲存器在這個過程又分別扮演了什麼角色呢？
首先，有一點你要明確，你安裝的 WeChat 軟體是儲存在磁碟中的。軟體安裝的本質是什麼？各位應該也都明白，就是將很多資料的集合儲存到磁碟上。
雙擊 WeChat 快捷方式，作業系統就會知道你要執行這個軟體，它會在磁碟中找到你安裝的 WeChat 軟體，將執行所需要的資料從磁碟中複製到記憶體裡。注意這裡！WeChat 不是直接磁碟中執行的，而是在記憶體中執行的。
至於原因，那當然是記憶體的讀寫速度比磁碟快得多。
所以，為了緩和磁碟之間的速度不匹配問題，程式執行前必須將硬碟上的資料複製到記憶體，CPU 才能夠著手處理，這個過程就叫作載入記憶體（Load into Memory），完成這個過程需要一個不可或缺的程式：載入器或者說載入器（Loader）。
CPU 直接與記憶體進行互動，它會讀取記憶體中的資料進行處理，並將結果返回並儲存到記憶體。當然，如果你還需要將資料儲存到磁碟，複製操作也會在記憶體和磁碟直接發生一次。
比如說，我們開啟了某個 Word 文件，並輸入了一些文字，雖然我們直觀看到的已經發生變化了，但是磁碟中儲存的文件仍然沒有改變，它仍然是之前的資料，新增的文字只是暫時儲存到了記憶體，只有我們手動儲存了這篇文件比如 Ctrl + s 才會將修改儲存到磁碟中。
而由於記憶體是易失性的，也就是說斷電後資料就丟失了，所以如果你編輯完 Word 文件忘記儲存或者斷電導致關機了，那麼你將永遠無法找回這些內容（悲劇 ?）。
暫存器與快取記憶體去哪裡了
讀到這裡，各位肯定會有所困惑，上面不是說了還有快取記憶體嗎？還有暫存器嗎？它們不是也用來儲存的嗎，在這個過程中它們去哪裡了？
OK，從 CPU 的角度來說，記憶體是什麼？就是一個笨逼，它僅僅是一個存放指令和資料的地方，計算機並不能在記憶體中完成計算功能。
若把 CPU 比作人類的靈魂，記憶體和磁碟就是人類的軀體。沒有了 CPU，記憶體和磁碟就淪為一具行屍走肉。當然，沒有了記憶體和磁碟也不行，畢竟 CPU 的儲存能力非常可憐。
比如說我們要計算 a = b + c，必須將變數 a、b、c 從記憶體中讀取到 CPU 內部才能進行加法運算，而在 CPU 中執行運算工作的部件，就是運算單元，可以說運算單元就是 CPU 的大腦。
我們不妨來看一下 CPU 的結構：
可以看出，暫存器（Register）和快取記憶體都直接內嵌在 CPU 中。
先說暫存器，其造價高昂且容量有限，功能涵括數學運算、控制程式的執行流程、標記 CPU 執行狀態等。
有些同學可能認為暫存器就是一個部件，其實不然，現代的 CPU 基本都內建了幾十個甚至上百個暫存器，根據功能的不同，這些暫存器也擁有不同的名字。
例如，EAX 暫存器通常被用在加法運算中，用來儲存某個加數或運算結果；EIP 暫存器中儲存的值是下一條指令的地址，CPU 執行完當前指令後，就會根據 EIP 的值去尋找下一條指令，也就是說如果我們改變 EIP 暫存器的值，也就會相應的改變程式的執行流程。
另外，暫存器存放的是二進位制資料，我們常常說 32 位或者 64 位的 CPU，其實指的就是暫存器的位數。
再來看快取，為啥 CPU 裡面還要弄個快取呢？那當然還是離不開讀寫速度的問題，雖然 CPU 訪問記憶體的速度相比於磁碟來說已經足夠快了，But，真要和快取記憶體做個對比，那根本就不是一個數量級的，蚍蜉撼樹罷了。
如果 CPU 每次都從記憶體中讀取資料，會嚴重拖慢其執行速度，CPU 不得不浪費大量的時間來等待記憶體中資料操作的結束。為此，我們在 CPU 內部設定一個快取，將使用頻繁的資料暫時從記憶體中讀取到快取裡來，這樣，如果快取命中，就直接從快取中讀取即可，不必訪問記憶體了。
所以很顯然，快取容量越大的 CPU 其效能就越好。當然，畢竟造價高昂，搞不起超大容量的快取，大小有限，所以對於快取中資料取捨的種種演算法又是一門值得深究的話題。
另外，快取的概念其實並不僅僅侷限於此。只要存在大量的資源可以劃分成小的部分，那麼，這些資源中的某些部分就會比其他部分更頻繁的得到使用，使用快取就可以帶來效能上的改善。在作業系統中，除了 CPU 中的快取，記憶體和硬碟之間其實也有快取的概念，也就是下面我們將要討論的虛擬記憶體。
虛擬記憶體和區域性性原理
虛擬記憶體（Virtual Memory）、虛擬儲存器，這倆其實是一個東西，只不過網路上各種部落格說法不一樣，沒有統一起來，容易讓萌新摸不著頭腦。
上文說的種種只是在執行一個 WeChat 程式的情況下，各位不妨想一下，如果你的電腦記憶體只有 4G，你同時執行了 WeChat、QQ、網易雲音樂、Chrome 等等很多應用程式，假設它們加起來一共需要 5G 的記憶體空間，也就意味著需要從磁碟複製 5G 的資料到只有 4G 儲存空間的記憶體，顯然，這是不可能的。
為此，作業系統中引入了虛擬記憶體的概念。當程式執行需要的儲存空間大於記憶體的容量時，會將記憶體中暫時不用的資料寫回磁碟，當需要這些資料時再從磁碟中重新讀取，而記憶體中存放的資料也就是所謂的熱點資料。這樣，磁碟中就會有一部分空間用來存放記憶體中暫時不用的資料，這一部分空間就叫做虛擬記憶體。我們上面所說的情況就需要在磁碟上分配（5 - 4 = 1G）的虛擬記憶體。
這樣，虛擬記憶體中 "虛擬" 二字的含義也就不言而喻了。只有 4G 記憶體，但是可以正常執行佔用記憶體超過 4G 的應用程式，在使用者看來他似乎擁有了一個比實際記憶體大得多的記憶體。當然，實際的實體記憶體大小並沒有發生改變，只是在邏輯上進行了擴充。
可以這麼理解，引入虛擬記憶體的概念後，在記憶體和磁碟之間，記憶體就充當了快取的作用。CPU 優先從記憶體中獲取資料，如果命中，就不需要去訪問磁碟。這裡和我們上文所說的 CPU 中的快取和記憶體之間的關係是不是一模一樣？
當然，我們為什麼可以這樣做？這些資料為啥就能被調入快取/記憶體呢？虛擬記憶體存在的理論支撐是什麼？這就是著名的區域性性原理。區域性性原理包含兩種，時間區域性性和空間區域性性：
1）時間區域性性原理：如果 CPU 執行了程式中的某條指令，那麼不久後這條指令很有可能再次執行；如果某個資料被訪問過，不久之後該資料很可能再次被訪問；
2）空間區域性性原理：一旦程式訪問了某個儲存單元，在不久之後，其附近的儲存單元也很有可能被訪問，因為很多資料在記憶體中都是連續存放的，並且程式的指令也是順序地在記憶體中存放的。
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