Linux 计算机基础知识必知必会

基础知识回顾

这部分我们简单回顾一下计算机存储体系、虚拟内存、栈和堆，以及堆内存的管理，这部分内容对理解和掌握内存管理比较重要。

存储金字塔

这幅图表达了计算机的存储体系，从上至下依次是：

CPU寄存器
Cache
内存
硬盘等辅助存储设备
鼠标等外接设备

从上至下，访问速度越来越慢，访问时间越来越长。

你有没有思考过下面2个简单的问题，如果没有不妨想想：

如果CPU直接访问硬盘，CPU能充分利用吗？
如果CPU直接访问内存，CPU能充分利用吗？

CPU速度很快，但硬盘等持久存储很慢，如果CPU直接访问磁盘，磁盘可以拉低CPU的速度，机器整体性能就会低下，为了弥补这2个硬件之间的速率差异，所以在CPU和磁盘之间增加了比磁盘快很多的内存。

CPU和内存速率差异

然而，CPU跟内存的速率也不是相同的，从上图可以看到，CPU的速率提高的很快（摩尔定律），然而内存速率增长的很慢，虽然CPU的速率现在增加的很慢了，但是内存的速率也没增加多少，速率差距很大，从1980年开始CPU和内存速率差距在不断拉大，为了弥补这2个硬件之间的速率差异，所以在CPU跟内存之间增加了比内存更快的Cache，Cache是内存数据的缓存，可以降低CPU访问内存的时间。

不要以为有了Cache就万事大吉了，CPU的速率还在不断增大，Cache也在不断改变，从最初的1级，到后来的2级，到当代的3级Cache，（有兴趣看cache历史）。

三级Cache分别是L1、L2、L3，它们的速率是三个不同的层级，L1速率最快，与CPU速率最接近，是RAM速率的100倍，L2速率就降到了RAM的25倍，L3的速率更靠近RAM的速率。

看到这了，你有没有Get到整个存储体系的分层设计？自顶向下，速率越来越低，访问时间越来越长，从磁盘到CPU寄存器，上一层都可以看做是下一层的缓存。

看了分层设计，我们看一下内存。

虚拟内存

虚拟内存是当代操作系统必备的一项重要功能了，它向进程屏蔽了底层了RAM和磁盘，并向进程提供了远超物理内存大小的内存空间。我们看一下虚拟内存的分层设计。

虚拟内存原理

上图展示了某进程访问数据，当Cache没有命中的时候，访问虚拟内存获取数据的过程。

访问内存，实际访问的是虚拟内存，虚拟内存通过页表查看，当前要访问的虚拟内存地址，是否已经加载到了物理内存，如果已经在物理内存，则取物理内存数据，如果没有对应的物理内存，则从磁盘加载数据到物理内存，并把物理内存地址和虚拟内存地址更新到页表。

有没有Get到：物理内存就是磁盘存储缓存层。

另外，在没有虚拟内存的时代，物理内存对所有进程是共享的，多进程同时访问同一个物理内存存在并发访问问题。引入虚拟内存后，每个进程都要各自的虚拟内存，内存的并发访问问题的粒度从多进程级别，可以降低到多线程级别。

栈和堆

我们现在从虚拟内存，再进一层，看虚拟内存中的栈和堆，也就是进程对内存的管理。

虚拟内存布局

上图展示了一个进程的虚拟内存划分，代码中使用的内存地址都是虚拟内存地址，而不是实际的物理内存地址。栈和堆只是虚拟内存上2块不同功能的内存区域：

栈在高地址，从高地址向低地址增长。
堆在低地址，从低地址向高地址增长。

栈和堆相比有这么几个好处：

栈的内存管理简单，分配比堆上快。
栈的内存不需要回收，而堆需要，无论是主动free，还是被动的垃圾回收，这都需要花费额外的CPU。
栈上的内存有更好的局部性，堆上内存访问就不那么友好了，CPU访问的2块数据可能在不同的页上，CPU访问数据的时间可能就上去了。

堆内存管理

内存管理

我们再进一层，当我们说内存管理的时候，主要是指堆内存的管理，因为栈的内存管理不需要程序去操心。这小节看下堆内存管理干的是啥，如上图所示主要是3部分：分配内存块，回收内存块和组织内存块。

在一个最简单的内存管理中，堆内存最初会是一个完整的大块，即未分配内存，当来申请的时候，就会从未分配内存，分割出一个小内存块(block)，然后用链表把所有内存块连接起来。需要一些信息描述每个内存块的基本信息，比如大小(size)、是否使用中(used)和下一个内存块的地址(next)，内存块实际数据存储在data中。

内存块链表

一个内存块包含了3类信息，如下图所示，元数据、用户数据和对齐字段，内存对齐是为了提高访问效率。下图申请5Byte内存的时候，就需要进行内存对齐。

内存块和对齐

释放内存实质是把使用的内存块从链表中取出来，然后标记为未使用，当分配内存块的时候，可以从未使用内存块中有先查找大小相近的内存块，如果找不到，再从未分配的内存中分配内存。

上面这个简单的设计中还没考虑内存碎片的问题，因为随着内存不断的申请和释放，内存上会存在大量的碎片，降低内存的使用率。为了解决内存碎片，可以将2个连续的未使用的内存块合并，减少碎片。

以上就是内存管理的基本思路，关于基本的内存管理，想了解更多，可以阅读这篇文章《Writing a Memory Allocator》，本节的3张图片也是来自这片文章。