淺析計算機中物理內(nèi)存的模型

小伙伴們有沒有好奇，數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)存中，是如何存儲的？計算機中物理內(nèi)存的模型是怎樣的呢？今天大雄就給大家詳細的介紹一下。

在了解存儲模型之前，我們首先應(yīng)該了解一下計算機的存儲體系。

個人感覺學(xué)這部分的知識應(yīng)該首先在腦海中抽象出存儲體系，因為無論磁盤，物理內(nèi)存還是虛擬內(nèi)存都是互相有聯(lián)系的，抽象出模型有助于我們的理解和記憶。接著需要哪部分知識或再次深入哪部分知識，從體系圖中找。

建議不要在這塊知識拉長戰(zhàn)線，看了前面忘后面。

計算機存儲體系圖

簡述上圖：

從進程開始，我們知道進程運行在內(nèi)存中，每個進程都有自己獨立的內(nèi)存地址空間，目的是安全和高效利用內(nèi)存，一個進程的地址空間是抽象出來的，屬于虛擬內(nèi)存，而內(nèi)存分為虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存。

從物理內(nèi)存分析，物理內(nèi)存管理分為等長和不等長劃分，等長劃分一般通過位圖來記錄結(jié)構(gòu)，不等長劃分一般通過空閑區(qū)表來記錄。

而物理內(nèi)存的要通過算法來使進程合理分配回收，其中分配算法有四種，回收算法分為四種情況，而內(nèi)存分配和回收會引起內(nèi)存碎片問題，內(nèi)存碎片問題分為內(nèi)碎片和外碎片，解決方案有壓縮技術(shù)。

從虛擬內(nèi)存分析，分為頁式/段式/段頁式內(nèi)存管理，中間通過頁表/段表/段頁表來進行物理到虛擬內(nèi)存的轉(zhuǎn)換，重點是頁式管理，頁式管理中重要的概念有頁表項，多級頁表，倒排頁表，MMU，快表TLB和頁錯誤/缺頁異常，而虛擬存儲技術(shù)中核心概念就是將內(nèi)存中暫時不用的頁面（內(nèi)存塊）放入磁盤上，問題是哪些頁面（內(nèi)存塊）放到磁盤上呢，于是我們引入頁面置換算法，其中OPT為理想置換算法，基本算法有FIFO，F(xiàn)IFO改進后的第二次機會算法和時鐘算法，LRU中老化算法和NRU，既然部分頁面暫存到磁盤上，那么就要聊聊磁盤。

磁盤是硬件，所以要討論它的結(jié)構(gòu)，和如何存取數(shù)據(jù)，以及磁盤調(diào)度的一些算法，此外，虛擬內(nèi)存還有重要的兩個技術(shù)就是內(nèi)存映射和寫時復(fù)制。

物理內(nèi)存

物理內(nèi)存其實就是我們機器的實際內(nèi)存大小，比如我的筆記本電腦內(nèi)存是4G。我們都知道程序是要加載道內(nèi)存中才能執(zhí)行，所以物理內(nèi)存越大，我們電腦的性能就越好。

位圖

位圖(bitmap)，其實就是用位來標(biāo)記數(shù)據(jù)。

在等長內(nèi)存管理中，比如我們將內(nèi)存等分為大小相同的內(nèi)存塊，那么一位標(biāo)記一塊，因為會形成一個位圖。

這樣，我們需要多大的塊，只需要匹配bitmap中連續(xù)多少個0即可。

空閑區(qū)表

在不等長劃分中，比如我們根據(jù)進程的大小來分配內(nèi)存，這是就需要采用空閑區(qū)表來存儲空閑的內(nèi)存。

空閑區(qū)鏈表只不過是通過鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)將空閑區(qū)表中的數(shù)據(jù)組織起來。

內(nèi)存分配算法

上面說了我們?nèi)绾瓮ㄟ^數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織未分配的內(nèi)存，我們以空閑區(qū)鏈表結(jié)構(gòu)為例，下面來說說物理內(nèi)存的分配算法，有如下四種。

1.首次適配算法

首次適配算法是在空閑區(qū)鏈表中從頭開始查找符合申請內(nèi)存大小的塊，直到找到滿足條件的為止，該算法不斷的從頭開始試驗申請，所以大部分使用的都是低地址空間的內(nèi)容，從而流出了高地址空間來滿足大的申請需求，但是缺點是會在較低的地址空間中頻繁的申請和釋放導(dǎo)致低地址空間中的內(nèi)存碎片，而且每次都查找都從頭開始，查找效率比較低。

2.下次適配算法

下次適配算法是首次適配算法的一個改進，它每次從上一次適配的地方開始向下查找，不需要每次都從頭開始，此算法使得內(nèi)存使用均勻，但是不會有大的內(nèi)存塊來滿足內(nèi)存分配。

3.最佳適配算法

此算法先按照內(nèi)存塊的空閑區(qū)大小從小到大進行排序，排序后，每次從頭開始匹配，這樣匹配出來的結(jié)果肯定是最優(yōu)的，但實際因為比較符合申請內(nèi)存的大小，會出現(xiàn)很多較小的內(nèi)存碎片無法使用，并且每次分配后都要重新排序，開銷比較大。

4.最差適配算法

此算法按照內(nèi)存塊的空閑區(qū)從大到小進程排序，排序后，有進程申請內(nèi)存時，將表頭最大的內(nèi)存塊分配給它，這樣如果不能分配則所有不能分配，且將大內(nèi)存分配給它，若只占用一小部分還可以進行二次分配。

內(nèi)存回收算法

內(nèi)存分配且進程使用完后，我們要進行回收，一般而言，內(nèi)存回收算法和內(nèi)存的分配算法有著密切的關(guān)系。

所以我們僅僅看內(nèi)存回收算法可能會出現(xiàn)的四種情況。

左上為上相鄰，右下相鄰，左下是上下相鄰，右下是上下不相鄰。

內(nèi)存碎片

什么是內(nèi)存碎片，就是在內(nèi)存中占據(jù)一定大小的空間卻得不到利用的內(nèi)存。內(nèi)存碎片分為內(nèi)碎片和外碎片。

內(nèi)碎片：比如按頁式分配等長，那么如果有一個進程需要5頁多內(nèi)存，那么我們只能給他分配6頁內(nèi)存，那么這第6頁是未用完的，其中除過一些數(shù)據(jù)外，我們還有空閑的被該進程占據(jù)，其他進程也不能使用。

外碎片：外碎片是還未分出來的，未被進程占用且因為太小或其他不滿足條件再次分配的小的內(nèi)存塊稱為外碎片。

緊縮技術(shù)：我們一般采用緊縮技術(shù)來合并小的內(nèi)存碎片，原理是將暫時不運行的進程安全的移動位置，獨立出內(nèi)存碎片，從而組裝多個內(nèi)存碎片合并成一個大的內(nèi)存塊。

注意的是有些進程并不能被移動，比如正在讀寫IO。

伙伴算法

伙伴算法是Linux底層內(nèi)存分配回收算法的一種實現(xiàn)。本文只講述伙伴算法的基本原理。

伙伴算法基本思想：

將內(nèi)存大小變?yōu)槎膎此方 。

如果一個程序申請的內(nèi)存塊大小 m 滿足 2^n-1 < m < 2^n條件，那么就將此時的內(nèi)存塊分配給它。

如上圖，我們現(xiàn)在需要200K空間，1M等于1024K，如果m小于1M的一半，那么繼續(xù)分離m，當(dāng)分離到256時，剛好能滿足200K的需求，所以分配。

歸還時，采用內(nèi)存回收算法的思想，看左右相鄰。若沒被占用則合并（也是為什么叫伙伴算法）。