内存管理

内存管理的功能

内存分配与回收
地址转换：逻辑地址 → 物理地址
内存保护：防止进程越界访问
内存扩充：虚拟内存技术

内存分配方式

1. 连续分配

单一连续分配

整个内存只有一个用户进程。

┌──────────────┐
│  操作系统    │
├──────────────┤
│  用户进程    │
│              │
└──────────────┘

固定分区分配

将内存划分为固定大小的分区。

┌──────────────┐
│  操作系统    │
├──────────────┤
│  分区1 (2MB) │
├──────────────┤
│  分区2 (4MB) │
├──────────────┤
│  分区3 (8MB) │
└──────────────┘

缺点：内部碎片

动态分区分配

根据进程需求动态分配。

分配算法：

首次适应（First Fit）

从头开始找第一个足够大的空闲分区
速度快

最佳适应（Best Fit）

找最小的足够大的空闲分区
减少浪费，但产生小碎片

最坏适应（Worst Fit）

找最大的空闲分区
避免产生太小的碎片

下次适应（Next Fit）

从上次分配位置开始查找

2. 非连续分配

分页存储

将内存和进程地址空间都分成固定大小的页。

逻辑地址空间：     物理内存：
┌───────┐         ┌───────┐
│ 页0   │ ──────> │ 帧5   │
├───────┤         ├───────┤
│ 页1   │ ──────> │ 帧2   │
├───────┤         ├───────┤
│ 页2   │ ──────> │ 帧7   │
└───────┘         └───────┘

页表：记录页号到帧号的映射

页号 | 帧号
-----|-----
  0  |  5
  1  |  2
  2  |  7

地址转换：

逻辑地址 = (页号, 页内偏移)
物理地址 = (帧号, 页内偏移)

例如：
页大小 = 4KB = 4096B
逻辑地址 = 8196
页号 = 8196 / 4096 = 2
页内偏移 = 8196 % 4096 = 4
查页表：页2 → 帧7
物理地址 = 7 * 4096 + 4 = 28676

分段存储

按逻辑单位（代码段、数据段、堆、栈）分段。

逻辑地址空间：
┌────────┐
│ 代码段 │ 段0
├────────┤
│ 数据段 │ 段1
├────────┤
│ 堆    │ 段2
├────────┤
│ 栈    │ 段3
└────────┘

段表：

段号 | 基址  | 限长
-----|-------|------
  0  | 2000  | 1000
  1  | 5000  | 500
  2  | 8000  | 2000
  3  | 12000 | 1000

地址转换：

逻辑地址 = (段号, 段内偏移)
物理地址 = 段基址 + 段内偏移

例如：
段号 = 1, 偏移 = 100
查段表：段1基址 = 5000
物理地址 = 5000 + 100 = 5100

段页式存储

先分段，再分页。

逻辑地址 = (段号, 页号, 页内偏移)

地址转换：
1. 通过段号查段表，得到页表地址
2. 通过页号查页表，得到帧号
3. 物理地址 = 帧号 * 页大小 + 页内偏移

虚拟内存

基本概念

虚拟内存让进程认为自己拥有连续的大内存空间，实际上：

只有部分在物理内存
其余在磁盘（交换区）

虚拟内存：          物理内存：
┌───────┐          ┌───────┐
│ 页0   │ ───────> │ 帧1   │
├───────┤          ├───────┤
│ 页1   │ ───────> │       │
├───────┤  在磁盘   ├───────┤
│ 页2   │          │ 帧0   │
├───────┤          └───────┘
│ 页3   │ ───────> │ 帧2   │
└───────┘          └───────┘

请求分页

缺页中断流程：

1. CPU访问某页
2. 检查页表，发现页不在内存（缺页）
3. 触发缺页中断
4. 操作系统从磁盘加载该页到内存
5. 更新页表
6. 重新执行访问指令

页面置换算法

当内存满时，需要选择一个页面换出。

1. 最优置换（OPT）

选择以后最长时间不使用的页面。

理论最优，实际无法实现（无法预知未来）

2. 先进先出（FIFO）

选择最早进入内存的页面。

页面引用串：1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
内存帧数：3

1  1  1  4  4  4  5  5  5  3  3  3
   2  2  2  1  1  1  1  1  1  4  4
      3  3  3  2  2  2  2  2  2  2

缺页：✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓     ✓ ✓ ✓

缺点：可能出现Belady异常（帧数增加，缺页率反而增加）

3. 最近最少使用（LRU）

选择最长时间未使用的页面。

实现方式：
1. 计数器：每次访问时更新时间戳
2. 栈：访问的页面移到栈顶
3. 链表：访问的页面移到链表头

4. 时钟置换（Clock）

近似LRU的简化算法。

使用位（Use bit）：
- 访问页面时置1
- 置换时检查：
  - 0：选中
  - 1：置0，继续查找

   ┌───┬───┬───┬───┐
   │ 1 │ 0 │ 1 │ 1 │
   └─┬─┴─┬─┴─┬─┴─┬─┘
     │   │   │   │
     └───┴───┴───┘
         ↑ 指针

5. 改进的Clock算法

同时考虑使用位和修改位。

(使用位, 修改位)

优先级（低到高）：
(0, 0) > (0, 1) > (1, 0) > (1, 1)

页面置换算法对比

算法	性能	实现复杂度	是否实用
OPT	最优	-	不实用
FIFO	差	简单	实用
LRU	好	复杂	实用
Clock	较好	简单	实用

工作集模型

工作集：进程在某段时间内访问的页面集合。

t时刻的工作集 WS(t, Δ):
在 [t-Δ, t] 时间窗口内访问的页面

驻留集：分配给进程的物理页框集合

太小：频繁缺页
太大：浪费内存

Linux内存管理

内存布局

高地址
┌──────────────┐
│   内核空间    │  1GB
├──────────────┤
│   栈 (↓)     │
│              │
│   ↕          │
│              │
│   堆 (↑)     │
├──────────────┤
│   BSS段      │  未初始化数据
├──────────────┤
│   数据段      │  已初始化数据
├──────────────┤
│   代码段      │  程序代码
└──────────────┘
低地址

内存分配

bash

# 查看进程内存映射
cat /proc/[pid]/maps

# 查看系统内存
free -h
cat /proc/meminfo

# 查看内存使用排行
ps aux --sort=-%mem | head

内存回收

OOM Killer

内存不足时，Linux会选择一个进程杀掉。

bash

# 查看OOM分数
cat /proc/[pid]/oom_score

# 调整OOM分数（-1000到1000）
echo -17 > /proc/[pid]/oom_adj

Swap

交换分区，用于虚拟内存。

bash

# 查看swap
swapon --show
free -h

# 创建swap文件
dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1G count=2
chmod 600 /swapfile
mkswap /swapfile
swapon /swapfile

# 调整swap使用倾向（0-100，值越小越少用swap）
cat /proc/sys/vm/swappiness
echo 10 > /proc/sys/vm/swappiness

内存优化

bash

# 清除缓存
sync
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

# 查看slab缓存
slabtop

# 内存调优参数
vm.swappiness          # swap使用倾向
vm.dirty_ratio         # 脏页比例阈值
vm.overcommit_memory   # 内存过量分配策略

内存泄漏检测

C/C++

// 使用Valgrind检测
valgrind --leak-check=full ./program

// AddressSanitizer
gcc -fsanitize=address program.c
./a.out

Java

bash

# 堆转储
jmap -dump:format=b,file=heap.bin [pid]

# 分析工具
# - Eclipse MAT
# - VisualVM
# - JProfiler

Linux工具

bash

# 查看进程内存使用
pmap -x [pid]

# 实时监控
top
htop

# 内存分析
smem
vmstat

内存性能优化

1. 减少内存使用

使用合适的数据结构
及时释放不用的内存
对象池、内存池

2. 提高缓存命中率

数据局部性（时间局部性、空间局部性）
减少跨页访问
对齐数据结构

3. 避免内存碎片

使用内存池
定期整理内存
使用合适的分配器

4. NUMA优化

bash

# 查看NUMA信息
numactl --hardware

# 绑定进程到NUMA节点
numactl --cpunodebind=0 --membind=0 ./program

💡 提示

这是一个demo文档，欢迎补充更多内存管理相关内容。

内存管理 ​

内存管理的功能 ​

内存分配方式 ​

1. 连续分配 ​

单一连续分配 ​

固定分区分配 ​

动态分区分配 ​

2. 非连续分配 ​

分页存储 ​

分段存储 ​

段页式存储 ​

虚拟内存 ​

基本概念 ​

请求分页 ​

页面置换算法 ​

1. 最优置换（OPT） ​

2. 先进先出（FIFO） ​

3. 最近最少使用（LRU） ​

4. 时钟置换（Clock） ​

5. 改进的Clock算法 ​

页面置换算法对比 ​

工作集模型 ​

Linux内存管理 ​

内存布局 ​

内存分配 ​

内存回收 ​

OOM Killer ​

Swap ​

内存优化 ​

内存泄漏检测 ​

C/C++ ​

Java ​

Linux工具 ​

内存性能优化 ​

1. 减少内存使用 ​

2. 提高缓存命中率 ​

3. 避免内存碎片 ​

4. NUMA优化 ​

相关链接 ​

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内存管理的功能

内存分配方式

1. 连续分配

单一连续分配

固定分区分配

动态分区分配

2. 非连续分配

分页存储

分段存储

段页式存储

虚拟内存

基本概念

请求分页

页面置换算法

1. 最优置换（OPT）

2. 先进先出（FIFO）

3. 最近最少使用（LRU）

4. 时钟置换（Clock）

5. 改进的Clock算法

页面置换算法对比

工作集模型

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内存布局

内存分配

内存回收

OOM Killer

Swap

内存优化

内存泄漏检测

C/C++

Java

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1. 减少内存使用

2. 提高缓存命中率

3. 避免内存碎片

4. NUMA优化

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