内存管理

本是古典何须时尚 2022-03-29 09:37 273阅读 0赞

概念：

*  物理内存：即内存条的内存空间。
 *  虚拟内存：计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

**为什么会有虚拟内存和物理内存的区别？**  
如果正在运行的一个进程，它所需的内存是有可能大于内存条容量之和的，如内存条是256M，程序却要创建一个2G的数据区，那么所有数据不可能都加载到内存（物理内存），必然有数据要放到其他介质中（比如硬盘），待进程需要访问那部分数据时，再调度进入物理内存。

**什么是虚拟内存地址和物理内存地址？**  
假设你的计算机是32位，那么它的地址总线是32位的，也就是它可以寻址00xFFFFFFFF（4G）的地址空间，但如果你的计算机只有256M的物理内存0x0x0FFFFFFF（256M），同时你的进程产生了一个不在这256M地址空间中的地址，那么计算机该如何处理呢？回答这个问题前，先说明计算机的**内存分页机制**。  
计算机会对虚拟内存地址空间（32位为4G）进行分页产生**页**（page），对物理内存地址空间（假设256M）进行分页产生**页帧**（page frame），页和页帧的大小一样，所以虚拟内存页的个数势必要大于物理内存页帧的个数。在计算机上有一个页表（page table），就是映射虚拟内存页到物理内存页的，更确切的说是页号到页帧号的映射，而且是一对一的映射。  
问题来了，虚拟内存页的个数 > 物理内存页帧的个数，岂不是有些虚拟内存页的地址永远没有对应的物理内存地址空间？不是的，操作系统是这样处理的。操作系统有个页面失效（page fault）功能。操作系统找到一个最少使用的页帧，使之失效，并把它写入磁盘，随后把需要访问的页放到页帧中，并修改页表中的映射，保证了所有的页都会被调度。

现在来看看什么是虚拟内存地址和物理内存地址：  
虚拟内存地址：由页号（与页表中的页号关联）和偏移量（页的小大，即这个页能存多少数据）组成。

举个例子，有一个虚拟地址它的页号是4，偏移量是20，那么他的寻址过程是这样的：首先到页表中找到页号4对应的页帧号（比如为8），如果页不在内存中，则用失效机制调入页，接着把页帧号和偏移量传给MMC组成一个物理上真正存在的地址，最后就是访问物理内存的数据了。

图例：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3l1NzU1NjcyMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**性能分析**  
从代码层面上看，从硬盘上将文件读入内存，都要经过文件系统进行数据拷贝，并且数据拷贝操作是由文件系统和硬件驱动实现的，理论上来说，拷贝数据的效率是一样的。  
但是通过内存映射的方法访问硬盘上的文件，效率要比read和write系统调用高，这是为什么？

*  read()是系统调用，首先将文件从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，再将这些数据拷贝到用户空间，实际上进行了两次数据拷贝；
 *  map()也是系统调用，但没有进行数据拷贝，当缺页中断发生时，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行了一次数据拷贝。  
    所以，采用内存映射的读写效率要比传统的read/write性能高。

参考：[深入浅出MappedByteBuffer][MappedByteBuffer]

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[MappedByteBuffer]: https://www.jianshu.com/p/f90866dcbffc