一文搞懂操作系统的内存管理

本文让我们一起来了解下操作系统的内存管理。

大厨的工作台

我们可以把计算机看作是一个大厨，而内存就像大厨的工作台。大厨在烹饪过程中，需要将食材和工具放在工作台上，这样就可以直接访问和使用。计算机也是一样，它需要将正在运行的程序和数据放在内存中，才能进行快速的读写操作。

内存是CPU可以直接访问的存储，其操作速度很快。我们在编程时，需要经常与内存打交道，开发者喜欢把各种数据放到内存中，用起来比较方便，但是如果重启电脑，内存中的数据就会丢失，而且内存空间相比硬盘等外置存储的空间会小很多，使用的时候也需要注意。因此，我们需要很好的理解内存的工作原理，如此才能更好地进行编程。

实模式：混用工作台的问题

那么，CPU是如何操作内存的呢？首先，让我们来看看最早出现的实模式。

实模式就像是一个大工作台，所有的软件，包括操作系统，都在同一个物理地址空间，就像所有的菜品的食材和工具都放在工作台上。

在实模式下，CPU会提供一个软中断，并在中断向量表中关联内存管理函数，当软件需要内存时，就会触发这个软中断，执行内存管理函数，分配物理内存空间。

中断是CPU提供的一个机制，用于处理一些突发情况或需要尽快响应的事件，当CPU收到中断信号时，它会停止处理当前的工作，然后根据中断事件执行相关的程序，最后再回来执行之前的事务。中断分为硬中断和软中断，硬中断是硬件触发的，比如网卡接收到数据后通过中断通知CPU进行处理，软中断是软件程序触发的，比如应用程序通过操作系统API读取文件时会触发软中断，以执行操作系统内核中的文件读取函数。

中断向量表定义了中断事件和相应处理程序的映射关系，CPU收到中断事件后，可以在中断向量表中根据事件编号找到对应的处理程序地址，然后执行这个处理程序。

在实模式下，执行外置存储（如硬盘）中的软件，需要将软件完整地从外置存储读取到内存，然后确定软件中数据和函数的浮动地址。这就像你在做饭时，需要使用到某个工具，就会打开抽屉，找到它，然后放到工作台上，供后续使用。

但是，实模式存在一些问题。

• 首先，所有软件在同一个物理地址空间，就像是住在一个大家庭里，每个人都可以访问到其他人的东西，这就容易出现问题，比如数据被错误地修改，或者被恶意破坏。
• 其次，实模式下的内存利用率问题也很严重。因为软件需要完整地加载到内存，代码量越多需要的内存越多，就像是你在做饭时，工作台上放得越满，可用的空间就越少。

这就像炒菜时因为所有的东西都放在了一起，导致混用了不同菜品的佐料，而且如果要把所有的东西都放到台面上，就需要很大的空间才行，而很多东西可能一段时间都用不上，这就比较浪费了。

由上可见，实模式就是实实在在的使用物理内存，软件声明多少空间就得分配多少空间，而且软件之间相互没有限制。

保护模式：分时共享的方案

为了解决实模式的问题，就有了保护模式。在保护模式下，每个软件都有自己的虚拟内存空间，这些空间可以映射到物理内存，这种映射有两个特点：

• 不是所有的虚拟内存空间都同时映射到物理内存，而是需要哪个虚拟内存空间的数据时才进行装载和映射，不需要时就卸载对应的物理空间、解除映射；
• 这个映射也不是软件想怎么映射就怎么映射，它是由操作系统统一管理的，这就保护了软件的数据空间，这也是保护模式这个名字的来源。

这种模式，就像炒菜时，我们并不是把所有菜品的材料和工具都堆到工作台上，而是假设制作每个菜品时都会有足够的工作台空间，需要制作某个菜品时再把相关的材料和工具放到工作台上。这本质上是一种分时共享工作台的方案。

现在我们来看看保护模式的具体运作方式。在保护模式下，所有软件内存访问基于虚拟内存，虚拟内存空间分为很多个连续的内存页，这些页可以映射到物理内存。

• 当CPU访问某个虚拟内存中的数据时，首先计算出内存页，然后在操作系统的地址映射表中找到物理内存页，然后操作数据。
• 如果地址映射表中没有，则CPU会产生一个缺页中断请求，此时需要操作系统将数据从磁盘加载到物理内存，并做好与虚拟内存的映射。
• 如果缺页时物理内存不足，则操作系统会淘汰长久没有访问的物理内存，释放出一些物理空间给新的需求。

在保护模式下，执行外置存储中的软件，操作系统会给软件分配一个很大的虚拟内存空间，需要哪个内存页时通过缺页中断加载到物理内存。

保护模式有很多的好处：

• 解决了内存访问的安全问题，软件只能看到自己的虚拟空间，不能直接操作物理内存。
• 提高了内存资源的利用率，操作系统可以把空闲程序使用的物理空间先给别的程序用。
• 无需计算代码的浮动地址。软件认为自己独占所有内存，可以在编写程序或者编译程序时假设自己代码加载的绝对地址，不需要在加载到内存时再重新调整CPU指令操作的地址。
• 避免了CPU直接访问外置存储，并去理解外置存储的细节，从而避免了耦合。

虚拟内存的有趣问题

关于虚拟内存还有一个有趣的问题：在固态硬盘还没有普及的年代，电脑会越用越慢，但是又不舍得换新机，然后聪明的同学就会把系统盘由机械硬盘换成固态硬盘，然后电脑操作速度又快了起来，又能再战几年。

这是为什么呢？

这和虚拟内存有很大的关系。操作系统会将部分暂时用不上的内存数据放到硬盘上，特别是当我们运行的所有程序的总数据量超过了物理内存的容量时，这在现在软件程序特别丰富的时代很容易出现，跑几个大型程序，物理内存可能就不够了；当程序需要运行时，如果发现虚拟内存对应的数据在硬盘上，操作系统又会把这些数据从硬盘加载到物理内存中。内存和硬盘的这种交互，称为交换（Swap）。

而硬盘的读写速度要比内存慢很多，特别是机械硬盘，使用时间久了，因为硬盘老化和磁盘碎片增多，速度会掉的比较多，交换操作就会变慢，特别是系统刚启动或者运行的程序比较多的时候，交换操作可能频繁发生，就会感觉电脑很慢很卡。而固态硬盘的读写速度要比机械硬盘快很多，所以换成固态硬盘，电脑甚至会比之前快很多。

分层思想放光芒

总的来说，操作系统的内存管理使用了一种分层的思想，通过增加虚拟内存这一层，解决了内存访问的安全问题，提高了内存资源的利用率，避免了软件加载时重新调整CPU指令操作的地址，也避免了CPU直接访问外置存储，并去理解外置存储的细节，从而避免了耦合。

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希望通过这篇文章，你能对计算机的内存管理有更深入的理解，从而在编程时，更好地利用内存资源，提高程序的性能。记住，内存就像大厨的工作台，管理好它，就能烹饪出美味的菜肴。

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