图解虚拟内存、物理内存、swap 分区的工作与管理

拼搏现实的明天。 2022-08-28 13:58 301阅读 0赞

首先，问大家一个很有趣的问题，有人玩过单片机吗？有人用过 Excel 表格吗？

相信很多人都没有把玩过单片机，但是 Excel 倒是玩的贼溜，是不是？

没玩过单片机，哪听说过单片机有操作系统吗？能同时运行多个程序吗？

没吃过猪肉，还没见过猪跑么？单片机是没有操作系统的，也不能同时运行多个程序！

因为单片机都是把写好的程序直接烧录到设备中去，一旦烧录了，就不能更改，而且同时只能让运行一个程序，不能运行多个。因为，刀片机中的程序是直接操作物理内存的。

你可以脑补一下，如果同一个物理内存地址被多个程序同时使用，会出现什么情况？那画面，简直不可入脑。 脑壳痛！！！

而我们现在用的 windows 系列、类 unix 系列操作系统，‘智能’ 的为我们设计了一套内存管理机制 MMU。

每个进程一运行，就会给他分配一个虚拟内存 VM 空间，和在内存条中分配一段物理内存 PM 空间。虚拟内存里面的信息告诉进程，自己要用的内存数据，在物理内存哪些地方。

![图解虚拟内存、物理内存、swap 分区的工作与管理][swap]

每个进程都有分配**自己**的虚拟内存，虚拟内存中记录物理内存的位置信息，所以，每个进程的内存就被天然的隔离了，不会出现在内存条中，抢别的进程资源。

而一个进程要能正常运行，它的物理内存中，至少会包括：栈数据、堆数据、代码信息、数据信息，这些在物理内存中是分块存放的，也就是从某一个位置开始，连续一段空间，都是存着相同类型的数据，所以，虚拟内存中，要把这些数据的起始位和偏移量都存储好，这样，进程要使用某一类数据时，就能快速找到这类数据在内存中的位置，从而获取到数据。

![图解虚拟内存、物理内存、swap 分区的工作与管理][swap 1]

说了一大堆，可能还有很多人没有明白，下面，整点明白的。

你平时工作中，是不是要整很多 Excel 表格，存储各种工作信息，你要某些工作信息时，就打开这个 Excel 文件，这个文件中有很多个工作表，你要某些数据时，就点击工作表的名称，打开对应表格，查看对应数据。

![图解虚拟内存、物理内存、swap 分区的工作与管理][swap 2]

你可以把整个 Excel 文件，理解为进程运行需要的信息，每一个工作表名称，就相当于虚拟内存，告诉我们，需要的具体数据在哪儿？每一个工作表中信息，就相当于物理内存中存储的数据，点击工作表名，进入工作表，就能获得到数据位置。

这个例子，容易理解吧。然后，再对照上面的专业性内容看下，是不是容易理解了？

现在对虚拟内存和物理内存，是不是有了比较清楚的认识了。

但是，这还不是我们操作系统对内存管理的最优办法，因为，上面讲的方法，还存在**容易产生内存碎片** 和 **内存交换效率不高**的问题。

当连续启动多个进程时，会在内存条上分配连续的内存空间块，但是，一旦中间某个进程停了，释放内存空间，就会出现内存块不连续，出现内存碎片。

![图解虚拟内存、物理内存、swap 分区的工作与管理][swap 3]

此时，如果启动一个新的进程，如果申请的内存空间大于剩余内存空间碎片的大小，就无法申请到内存空间而报错，但是，内存的实际总剩余空间可能又是大于申请的内存空间的。

举个例子，就像你有一个工作表，你开始写东西时，从第一行开始往下写，连续行，密密麻麻的写了很多。结果，你发现其中有些信息是无效的，不用了，你就把整行信息删除，但是没有删除行，这样，这个工作表，就出现了零碎的空行。现在，你又想利用空行，往里面写数据，但是你要写的数据是多行，行数大于零碎的空行。

你怎么办呢？

你是不是想到了，先剪切有数据的行到黏贴板，然后从空行位置开始黏贴，这样，是不是就可以把空行整理到一起了？

其实，我们计算机内存管理，也有类似的办法。

![图解虚拟内存、物理内存、swap 分区的工作与管理][swap 4]

在**磁盘上虚拟一块空间，叫 swap 分区**，然后，把内存中一整段空间，剪切到 swap 分区，然后，再还原回内存，这样，就移动了原来的内存空间位置，把空闲的内存空间整理到了一起。这个，是不是很容易理解了。

理解是容易了，但是，这个办法真的很好吗？

swap 分区，是由磁盘虚拟而来的，它的速度远远慢于内存速度，而一个进程，它的内存空间一般都是几百兆，如果，一次拷贝一个或几个进程的内存资源到 swap 分区，然后再还原到内存，这个时间势必会很长，用户就会明显感觉卡顿，甚至操作无响应。

这又该这么办呢？

如果是你，你会不会想，能不能一次不拷贝那么多、那么大，每次拷贝小点，分多次拷贝？

计算机也是这么想的，所以，就出现了一个内存分页管理。把整个虚拟内存和物理内存空间切成固定大小的页片，Linux 中，默认这个页片是 4K。若一个进程需要 256M 的内存空间，就把这个空间大小除以 4K，就得到了它的页片数，就分成这么多页。虚拟内存中，建立一个页表，记录页信息，需要的时候就去物理内存中获取，物理内存也不需要全部都存放，也可以在用的时候，内存再去其他设备上获取，因为每次都只获取几 K，量少，速度也会很快。

这个，我们怎么理解呢？

依然用 Excel 工作表举例，在一个表格中存了很多数据，我们可以根据某列的值进行分组，相同的为一组，那么，你要找某个数据时，是不是看下它的值，然后，直接找它那一组的数据，再从一组数据中找到你想要的数据，是不是要快很多。

但是，这个分组管理简单吗？

可能，想像中简单，但是实际工程中还是很复杂的。所以，这个页管理还是很复杂的。感兴趣的同学，可以自己再去学习研究。

好了，对于今天讲的虚拟内存、物理内存、swap 分区知识掌握了吗？

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