极客算法

内存管理

2014-10-18

物理内存

最开始的时候,程序是直接访问物理内存,但后来有了多程序多任务同时运行,就出现了很多问题:

  1. 同时运行的程序占用的总内存必须要小于实际物理内存大小
  2. 程序能够直接访问和修改物理内存,也就能够直接访问和修改其他程序所使用的物理内存,程序运行时的安全就无法保障

虚拟内存

内存虚拟化,增加了一个中间层来间接访问物理内存。通过映射,可以讲虚拟化地址转换成物理地址

这样每个程序都有一个独立的执行环境(虚拟空间)。每个程序只能访问自己的地址空间(Address Space), 程序与程序间也就能被安全地隔离开来

32位的地址空间是 2^32 = 4294967296 个字节,共 4GB,如果内存没有达到 4GB 时,虚拟内存比实际的物理内存要大,这会让程序感觉自己能够支配更多的内存。如同虚拟内存只供当前程序使用,操作起来和物理内存一样高效。

有了虚拟内存这样一个中间层,极大地节省了物理内存。共享库就是利用了这一点,只占用一份物理内存,却能够在不同应用的多份虚拟内存中,去使用同一份共享库的物理内存。

每个程序都有自己的进程,进程的内存布局主要由代码段、数据段、栈、堆组成。程序生成的汇编代码会放在代码段。如果每个进程的内存布局都是连在一起的话,每个进程分配的空间就没法灵活变更,栈和堆没用满时就会有很多没用的空间。如果虚拟地址和物理地址的翻译内存管理单元(Memory Management Unit,MMU)只是简单地通过进程开始地址加上虚拟地址,来获取物理地址,就会造成很大的内存空间浪费。

分段

分段就是将进程里连在一起的代码段、数据段、栈、堆分开成独立的段,每个段内空间是连续的,段之间不连续。这样,内存的空间管理 MMU 就可以更加灵活地进行内存管理。

那么,段和进程关系是怎么表示的呢?进程中内存地址会用前两个字节表示对应的段。比如 00 表示代码段,01 标识堆。

段里的进程又是如何管理内存的呢?每个段大小增长的方向 Grows Positive 也需要记录,是否可读写也要记录,为的是能够更有效地管理段增长。每个段的大小不一样,在申请的内存被释放后,容易产生碎片,这样在申请新内存时,很可能就会出现所剩内存空间够用,但是却不连续,于是造成无法申请的情况。这时,就需要暂停运行进程,对段进行修改,然后再将内存拷贝到连续的地址空间中。但是,连续拷贝会耗费较多时间。

那么,怎么才能降低内存的碎片化程度,进而提高性能呢?

分页

程序在运行时,大多数的时间只会使用很小部分的内存,所以我们可以使用比段粒度更小的空间管理技术,也就是分页。

分页就是把地址空间切分成固定大小的单元,这样我们就不用去考虑堆和栈会具体申请多少空间,而只要考虑需要多少页就可以了。这,对于操作系统管理来说也会简单很多,只需要维护一份页表(Page Table)来记录虚拟页(Virtual Page)和物理页(Physical Page)的关系即可。

虚拟页的前两位是 VPN(Virtual Page Number),根据页表,翻译为物理地址 PFN(Physical Frame Number)。

虚拟页与物理页之间的映射关系,就是虚拟内存和物理内存的关系,如下图所示:

os_memory_pageing

如图所示,多个进程虚拟页和物理页的关系通过箭头关联起来了,而页表就可以记录下箭头指向的映射关系。

这里,我们需要注意的是,虚拟页和物理页的个数是不一样的。比如,在 64 位操作系统中使用的是 48 位寻址空间,之所以使用 48 位寻址空间,是因为推出 64 位系统时硬件还不能支持 64 位寻址空间,所以就一直延续下来了。虚拟页大小是 16K,那么虚拟页最多能有 2^48 / 2^14 = 16M 个,物理内存为 16G 对应物理页个数是 2^64 / 2^14 = 524k 个。

维护虚拟页和物理页关系的页表会随着进程增多而变得越来越大,当页表大于寄存器大小时,就无法放到寄存器中,只能放到内存中。当要通过虚拟地址获取物理地址的时候,就要对页表进行访问翻译,而在内存中进行访问翻译的速度会比 CPU 的寄存器慢很多。

怎么加速页表翻译速度呢?

我们知道,缓存可以加速访问。MMU 中有一个 TLB(Translation-Lookaside Buffer),可以作为缓存加速访问。所以,在访问页表前,首先检查 TLB 有没有缓存的虚拟地址对应的物理地址:

  1. 如果有的话,就可以直接返回,而不用再去访问页表了;
  2. 如果没有的话,就需要继续访问页表。

每次都要访问整个列表去查找我们需要的物理地址,终归还是会影响效率,所以又引入了多级页表技术。也就是,根据一定的算法灵活分配多级页表,保证一级页表最小的内存占用。其中,一级页表对应多个二级页表,再由二级页表对应虚拟页。

这样内存中只需要保存一级页表就可以,不仅减少了内存占用,而且还提高了访问效率。根据多级页表分配页表层级算法,空间占用多时,页表级别增多,访问页表层级次数也会增多,所以多级页表机制属于典型的支持时间换空间的灵活方案

iOS系统

iOS 的 XNU Mach 微内核中有很多分页器提供分页操作,比如 Freezer 分页器、VNode 分页器。还有一点需要注意的是,这些分页器不负责调度,调度都是由 Pageout 守护线程执行。

由于移动设备的内存资源限制,虚拟分页在 iOS 系统中的控制方式更严格。移动设备的磁盘空间也不够用,因此没有使用 DRAM(动态 RAM)的方式控制内存。为了减少磁盘空间占用,iOS 采用了 Jetsam 机制来控制内存的使用。

DRAM 内存控制方式,是在虚拟页不命中的情况下采用磁盘来缓存。

占用内存过多的进程会被强杀,这也就对 App 占用的内存提出了更高的要求。同时,Jetsam 机制也可以避免磁盘和内存交换带来的效率问题,因为磁盘的速度要比 DRAM 慢上几万倍。

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