计算机分级存储

计算机的存储有一个特点：速度快的存储设备，通常容量小，价格贵。而容量大，价格便宜的存储设备一般存储速度会比较慢。 计算机的分级存储从快到慢：

CPU寄存器 -> CPU cache -> 内存RAM -> SSD -> HDD
                |
             L1 L2 L3

cache：cache的存在满足局部性原理

• 时间局部性，即一个刚刚被访问的数据，有可能很快再次被访问。放在cache中非常划算，可以防止大量未命中
• 空间局限性：一个数据被访问，他周围的数据也有可能被访问，cpu可能把一块连续的内存放入cache。顺序读取后续数据会比随机访问快 对于L1，L2，L3cache来说，距离越远，容量越大，操作速度越慢。但是一般每个CPU都有自己的L1，而在很多CPU中L3是多个CPU共享的 内存RAM：内存断电之后容易丢失，是易失型存储。程序运行时主要在内存内运行 如果内存不够程序运行，操作系统会把暂时不用的资源放到磁盘，这个称为SWAP。但交换空间严格意义上不算内存，只是用硬盘模拟内存 SSD：固态硬盘，里面的数据断电不会丢失，内部主要使用闪存falsh memory HDD：机械硬盘，读取数据需要磁盘旋转，移动磁头，找到数据，读取数据，随机访问会比较慢

      磁头
       ↓
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   /       \
  |  磁盘   |
   \       /
    ───────
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数据访问的时候先访问三级cache，如果都没有的话，查询Ram内存，如果内存中也没有的话，那可能发生缺页异常。操作系统发现这个数据不在物理内存，从SSD/HDD里面加载数据，然后逐级上传，缓存，最后存入CPU寄存器

接下来主要对计算机中的内存部分展开讲解，设置虚拟内存->物理内存映射，页表，堆栈，零拷贝等

内存

对于操作系统来说物理内存是固定的，为每个程序指定一块连续内存，如果后续需要扩容或缩减。就涉及到对其他地址数据的修改。处理起来会比较麻烦。对此，操作系统为每个进程分配一个页表，用页表的虚拟地址对物理地址进行映射。

虚拟内存

虚拟内存可以很好的解决：

• 进程间地址冲突的问题，每个进程维护自己的页表，并且没有办法访问其他进程的页表。
• 运行内存超过物理内存实际大小的问题，因为程序运行符合局部性原理，CPU访问内存有很明显的重复访问的倾向。对于长期大量未访问的数据，可以把它放到硬盘
• 标记状态，页表除了地址，还存放了进程对对一个页的状态以及权限记录位，可以标记页是否存在，对页的读写权限之类的。

页表存储在内存里，由MMU做内存管理操作

页表

页表的操作过程，以二级页表为例： 从页目录表中拿到页表位置，通过页表中的对应位置拿到物理页位置，物理页页号*页大小加偏移地址就是实际的物理地址，如果用段表做映射，就是段基址 * 16+偏移地址

页表和段表有什么区别呢

页表用页来映射，大小一般是固定的，初始一个页是4kb。而且页表不关心自己映射的东西具体是什么，堆？栈？或者代码，页不在乎，只是映射… 段表用段来进行映射，段不确定大小。分段的思想本上就有一些逻辑划分，代码段，堆段，栈段可以存放不同的数据。 一般用页来映射而不用段，因为分段可能产生外部碎片，总空闲空间足够，但是会产生很多小块，而没有一块连续可用的空间。而分页也不是完美的，可能产生内部碎片

程序的内存布局

这里从低到高分别是： 代码段：包括二进制可执行代码 数据段：包括已初始化的静态变量和全局变量 BSS段：包括未初始化的全局变量和静态变量 堆段：包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长 文件映射段：包括动态库，共享内存等 栈段：包括局部变量和程序的上下文，栈的大小一般是固定的8MB

程序有自己的虚拟内存布局，里面有代码、数据、BSS、堆、内存映射区、栈等区域；现代 Linux 再通过分页机制，把这些虚拟地址映射到物理内存。

堆和栈有什么区别

分配方式：堆是动态内存分配，由程序员主动申请或者释放内存，栈是静态分配内存，由编译器申请或者释放内存 内存管理：堆需要程序员手动管理或者释放内存，管理不当可能产生内存泄漏，栈由编译器自动管理内存，遵循后进先出，变量的生命周期由他的作用域决定

copy on write

主进程fork的时候，操作系统会把父进程的页表copy一份给子进程，子进程拥有的页表和父进程拥有的页表指向的是同一块虚拟内存。但是子线程对该页表只有只读权限。这个是为了防止写过程太长导致父子进程创建的时候长时间阻塞。 copy on write还一定程度上节省了物理内存资源，子进程想要拥有父进程的资源，不需要复制一份同样的资源，而是复制一份页表。父子进程任意一方对这个进程进行修改，才会触发写时复制

malloc

程序触发malloc的时候，会分配一片虚拟内存，具体操作是： 先brk()，移动堆指针指定一块区域，再mmap()通过私有匿名映射（供进程自己使用，不关联任何磁盘文件）来获取一块文件映射区的内存 当程序访问这一块内存，就会寻找这一块虚拟内存对应的物理内存。此时会发生缺页中断。进程从用户态切换到内核态，移交缺页中断执行

缺页中断检查是否有空闲的物理内存，如果有，就分配物理内存。如果没有空闲的内存，那么内核会先回收内存。

如果回收之后内存依旧不够，那么会触发OOM机制： OOM机制根据算法选择一个物理内存占用最高的进程，杀死进程，重复操作直到有足够的内存空间。

内存回收

内存回收主要回收两类： 文件页：内核缓存的磁盘数据，内核缓存的文件数据。都可以叫作文件页。针对脏页——修改过但还没有写入磁盘的数据，就需要先写入磁盘，再释放内存。回收干净页则可以直接释放。 匿名页：这部分内存没有实际载体，回收通过上文提到的SWAP机制，先把一部分内存写入磁盘，再释放内存，需要的时候再从磁盘取出来。

文件页的回收和匿名页的回收都基于LRU算法：优先回收不常访问的内存，维护两个双向链表 active_list:活跃内存页链表，存放的是最近活跃的内存页 inactive——list：不活跃内存链表，存放最近不活跃的内存页 越接近尾部，代表越不活跃