小伙伴們有沒(méi)有好奇

數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中

是如何存儲(chǔ)的？

計(jì)算機(jī)中物理內(nèi)存的模型

是怎樣的呢？

今天大雄就給大家詳細(xì)的介紹一下

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在了解存儲(chǔ)模型之前，我們首先應(yīng)該了解一下計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系。

個(gè)人感覺(jué)學(xué)這部分的知識(shí)應(yīng)該首先在腦海中抽象出存儲(chǔ)體系，因?yàn)闊o(wú)論磁盤(pán)，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(shí)或再次深入哪部分知識(shí)，從體系圖中找。

建議不要在這塊知識(shí)拉長(zhǎng)戰(zhàn)線，看了前面忘后面。

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系圖

簡(jiǎn)述上圖：

從進(jìn)程開(kāi)始，我們知道進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)存中，每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的內(nèi)存地址空間，目的是安全和高效利用內(nèi)存，一個(gè)進(jìn)程的地址空間是抽象出來(lái)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(zhǎng)和不等長(zhǎng)劃分，等長(zhǎng)劃分一般通過(guò)位圖來(lái)記錄結(jié)構(gòu)，不等長(zhǎng)劃分一般通過(guò)空閑區(qū)表來(lái)記錄。

而物理內(nèi)存的要通過(guò)算法來(lái)使進(jìn)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(huì)引起內(nèi)存碎片問(wèn)題，內(nèi)存碎片問(wèn)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(yè)式/段式/段頁(yè)式內(nèi)存管理，中間通過(guò)頁(yè)表/段表/段頁(yè)表來(lái)進(jìn)行物理到虛擬內(nèi)存的轉(zhuǎn)換，重點(diǎn)是頁(yè)式管理，頁(yè)式管理中重要的概念有頁(yè)表項(xiàng)，多級(jí)頁(yè)表，倒排頁(yè)表，MMU，快表TLB和頁(yè)錯(cuò)誤/缺頁(yè)異常，而虛擬存儲(chǔ)技術(shù)中核心概念就是將內(nèi)存中暫時(shí)不用的頁(yè)面（內(nèi)存塊）放入磁盤(pán)上，問(wèn)題是哪些頁(yè)面（內(nèi)存塊）放到磁盤(pán)上呢，于是我們引入頁(yè)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(jìn)后的第二次機(jī)會(huì)算法和時(shí)鐘算法，LRU中老化算法和NRU，既然部分頁(yè)面暫存到磁盤(pán)上，那么就要聊聊磁盤(pán)。

磁盤(pán)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(pán)調(diào)度的一些算法，此外，虛擬內(nèi)存還有重要的兩個(gè)技術(shù)就是內(nèi)存映射和寫(xiě)時(shí)復(fù)制。

物理內(nèi)存

物理內(nèi)存其實(shí)就是我們機(jī)器的實(shí)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(shí)就是用位來(lái)標(biāo)記數(shù)據(jù)。 

在等長(zhǎng)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?yàn)闀?huì)形成一個(gè)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(gè)0即可。

空閑區(qū)表

在不等長(zhǎng)劃分中，比如我們根據(jù)進(jìn)程的大小來(lái)分配內(nèi)存，這是就需要采用空閑區(qū)表來(lái)存儲(chǔ)空閑的內(nèi)存。

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

內(nèi)存分配算法

上面說(shuō)了我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)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(lái)說(shuō)說(shuō)物理內(nèi)存的分配算法，有如下四種。

1.***適配算法

***適配算法是在空閑區(qū)鏈表中從頭開(kāi)始查找符合申請(qǐng)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(kāi)始試驗(yàn)申請(qǐng)，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(lái)滿足大的申請(qǐng)需求，但是缺點(diǎn)是會(huì)在較低的地址空間中頻繁的申請(qǐng)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(kāi)始，查找效率比較低。

2.下次適配算法

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

3.***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(jìn)行排序，排序后，每次從頭開(kāi)始匹配，這樣匹配出來(lái)的結(jié)果肯定是***的，但實(shí)際因?yàn)楸容^符合申請(qǐng)內(nèi)存的大小，會(huì)出現(xiàn)很多較小的內(nèi)存碎片無(wú)法使用，并且每次分配后都要重新排序，開(kāi)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(jìn)程排序，排序后，有進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，將表頭***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(jìn)行二次分配。

內(nèi)存回收算法

內(nèi)存分配且進(jìn)程使用完后，我們要進(jìn)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(huì)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(yè)式分配等長(zhǎng)，那么如果有一個(gè)進(jìn)程需要5頁(yè)多內(nèi)存，那么我們只能給他分配6頁(yè)內(nèi)存，那么這第6頁(yè)是未用完的，其中除過(guò)一些數(shù)據(jù)外，我們還有空閑的被該進(jìn)程占據(jù)，其他進(jìn)程也不能使用。

外碎片：外碎片是還未分出來(lái)的，未被進(jìn)程占用且因?yàn)樘』蚱渌粷M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(lái)合并小的內(nèi)存碎片，原理是將暫時(shí)不運(yùn)行的進(jìn)程安全的移動(dòng)位置，獨(dú)立出內(nèi)存碎片，從而組裝多個(gè)內(nèi)存碎片合并成一個(gè)大的內(nèi)存塊。

注意的是有些進(jìn)程并不能被移動(dòng)，比如正在讀寫(xiě)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(shí)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(gè)程序申請(qǐng)的內(nèi)存塊大小 m 滿足 2^n-1 < m < 2^n條件，那么就將此時(shí)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(shí)，剛好能滿足200K的需求，所以分配。 

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