面试专题—iOS内存不够怎么办？底层原理

天之衡

在早期的计算机中，程序是直接运行在物理内存上的，也就是说：程序在运行时访问的地址就是物理地址。这样也就是单运行的时候没有什么问题！可是，计算机会有多到程序、分时系统和多任务，当我们能够同时运行多个程序时，CPU的利用率将会比较高。那么有一个非常严重的问题：如何将计算机的有限的物理内存分配给多个程序使用

假设我们计算有128MB内存，程序A需要10MB，程序B需要100MB，程序C需要20MB。如果我们需要同时运行程序A和B，那么比较直接的做法是将内存的前10MB分配给程序A，10MB~110MB分配给B。

但这样做，会造成以下问题：

• 当多个程序需要运行时，必须保证这些程序用到的内存总量要小于计算机实际的物理内存的大小。
  
• 进程地址空间不隔离，由于程序是直接访问物理内存的，所以每一个进程都可以修改其他进程的内存数据，设置修改内核地址空间中的数据，所以有些恶意程序可以随意修改别的进程，就会造成一些破坏
  
• 内存使用效率低 内存空间不足，就需要将其他程序展示拷贝到硬盘当中，然后将新的程序装入内存。然而由于大量的数据装入装出，内存的使用效率会非常低
  
• 程序运行的地址不确定；因为内存地址是随机分配的，所以程序运行的地址也是不正确的
  

解决这几个问题的思路就是使用我们非常牛逼的方法：增加中间层 - 即使用一种间接的地址访问方式。

把程序给出的地址看做是一种虚拟地址，然后通过某种映射，将这个虚拟地址转化到实际的物理地址。这样，只需要控制好映射过程，就能保证程序所能访问的物理内存区域跟别的程序不重叠，达到空间隔离的效果。

隔离

普通的程序它只需要一个简单的执行环境，一个单一的地址空间，有自己的CPU。 地址空间比较抽象，如果把它想象成一个数组，每一个数组是一字节，数组大小就是地址空间的长度，那么32位的地址空间大小就是2^32=4294967296字节，即4G，地址空间有效位是0x00000000~0xFFFFFFFF。 地址空间分为两种：

• 物理空间：就是物理内存。32位的机器，地址线就有32条，物理空间4G，但如果只装有512M的内存，那么实际有效的空间地址就是0x00000000~0x1FFFFFFF，其他部分都是无效的。
  
• 虚拟空间：每个进程都有自己独立的虚拟空间，而且每个进程只能访问自己的空间地址，这样就有效的做到了进程隔离。
  

分段

基本思路： 把一段与程序所需要的内存空间大小的虚拟空间映射到某个地址空间。虚拟空间的每个字节对应物理空间的每个字节。这个映射过程由软件来完成。
比如A需要10M，就假设有0x00000000 到0x00A00000大小的虚拟空间，然后从物理内存分配一个相同大小的空间，比如是0x00100000到0x00B00000。操作系统来设置这个映射函数，实际的地址转换由硬件完成。如果越界，硬件就会判断这是一个非法访问，拒绝这个地址请求，并上报操作系统或监控程序。

这样一来利用：分段的方式可以解决之前的个（地址空间不隔离）和第三个问题（程序运行地址不确定）

• 首先做到了地址隔离，因为A和B被映射到了两块不同的物理空间，它们之间没有任何重叠，如果A访问虚拟空间的地址超过了0x00A00000这个范围，硬件就会判断这是一个非法的访问，并将这个请求报告给操作系统或者监控程序，由它决定如何处理。
  
• 再者，对于每个程序来说，无论它们被分配到地址空间的哪一个区域，对于程序来说都是透明的，它们不需要关心物理地址的变化，它们只要按照从地址0x00000000到0x00A00000来编写程序、放置变量，所以程序不需要重定位。
  

第二问题内存使用效率问题依旧没有解决。
但是分段的方法没有解决内存使用效率的问题。分段对于内存区域的映射还是按照程序为单位，如果内存不足，被换入换出的磁盘的都是整个程序，这样势必会造成大量的磁盘访问操作，从而严重影响速度，这种方法还是显得粗糙，粒度比较大。事实上根据程序的局部性原理，当一个程序正在运行时，在某个时间段内，它只是频繁用到了一小部分数据，也就是说，程序的很多数据其实在一个时间段内是不会被用到的。人们很自然地想到了更小粒度的内存分割和映射方法，使得程序的局部性原理得到充分利用，大大提高了内存的使用率。这种方法就是分页。
分页

分页的基本方法是把地址空间人为得等分成固定大小的页，每一个页的大小由硬件决定，或硬件支持多种页的大小，由操作系统选择决定页的大小。 目前几乎所有PC的操作系统都是用4KB大小的页。我们使用的PC机是32位虚拟地址空间，也就是4GB，按4KB分页，总共有1048576个页。
那么，当我们把进程的虚拟地址空间按页分割，把常用的数据和代码装载到内存中，把不常用的代码和数据保存在磁盘里，当需要用到的时候再把它们从磁盘里取出即可。图中的线表示映射关系，我们可以看到虚拟空间有些页被映射到同一个物理页，这样就可以实现内存共享。 虚拟页，物理页，磁盘页根据内存空间不一样而区分
我们可以看到Process 1 的VP2和VP3不在内存中，但是当进程需要用到这两个页的时候，硬件就会捕获到这个消息，就是所谓的页错误（Page Fault），然后操作系统接管进程，负责将VP2和VP3从磁盘读取出来装入内存，然都将内存中的这两个页和VP2和VP3建立映射关系。以页为单位存取和交换数据非常方便，硬件本身就支持这种以页为单位的操作方式。

• 保护页也是页映射的目的之一，简单地说就是每个页可以设置权限属性，谁可以修改，谁可以访问，而且只有操作系统有权修改这些属性，那么操作系统就可以做到保护自己和保护进程。
  
• 虚拟存储的实现需要硬件支持，几乎所有CPU都采用称为MMU的部件来进行页的映射：
  

在页映射模式下，CPU发出的是Virtual Address，即我们程序看到的是虚拟地址。经过MMU转换以后就变成了Physical Address。一般MMU集成在CPU内部，不会以独立的部件存在。

这篇文章是底层编译链接的开门红，这里非常感谢《程序员的自我修养-链接、装载与库》这本书的大力分享，强烈推荐学习。

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