浅析Golang的内存管理（上篇）：操作系统内存管理

news/2025/2/26 13:30:42/文章来源:https://www.cnblogs.com/liumengchen-boke/p/17826143.html

文章目录

计算机存储体系介绍
虚拟存储器
内存管理单元与页式存储管理
CPU发起一次访存的全过程

一、计算机存储体系介绍

　　　从计算机的组成角度来看，计算机的存储分为，寄存器-高速缓存-主存储器（泛指内存）-本地存储（磁盘）-外部存储（光盘、云盘等），由下到上，运行速度越来越快，存储空间越来越小，费用越来越高（如图1）。而对于使用者来着，我们肯定希望能用最少的成本，尽可能用最快、空间最大的存储设备。因此，就引出了操作系统层次性存储体系，根据局部性原理（时间局部性&&空间局部性）和对应的汰换算法，将最常用的信息存储在上层的存储设备，按照一定的策略更新上层存储设备的内容。

　　　时间局部性：程序中某个（内存对象）数据被访问，近期很可能会被再次访问。

　　　空间局部性：程序中某个（内存对象）数据被访问，与其相邻的（内存对象）数据近期很可能也会被访问。

(图1）

　　　进程是操作系统进行资源分配调度的最小单元，一个进程具有操作系统分配给它的一块逻辑上连续的虚拟内存空间。我们编写的程序，运行后就作为一个进程受操作系统的管理和调度，其相关的变量，函数库，开辟的空间都在这个进程的内存中，所以一个进程可使用的内存大小，就成了影响这个进程执行效率，可用性重要因素。但是我们应该给这个进程分配多少内存才合适呢？假如过大，则进程宿主机可以同时运行的进程数就受到限制，也容易造成内存空间的浪费；假如过小，则内存空间不满足进程需求，造成进程运行不稳定。所以，合理的分配和高效的利用内存，就成了对操作系统的核心诉求之一。

二、虚拟存储器

　　对于计算机本身来说，内存就是真实的硬件存储设备的容量，即内存条。在操作系统的角度上，对这部分容量用物理内存这个名词来定义。对物理内存会有一个布局，以一个数组的方式（如图2）。数组的每一项都被叫做一个物理内存地址，这个物理内存地址对应着真实的物理内存,且物理内存地址是连续的，假如要取一段内存空间，则可以根据初始物理内存地址附加上一个偏移量来得到。

（图2）

　　进程在运行的不同时间，不同状态所需要的内存空间大小是变化的，所以操作系统只能按照进程所需内存的最大值来分配，这样就难免造成了内存浪费。假如给多个进程分配同一块内存空间，就又难免造成了内存访问冲突的问题，使得进程效率低下。针对这些问题，操作系统使用虚拟存储器来解决上述问题。

　　虚拟存储便是在物理真实存储的基础上，构建一套逻辑的存储空间以供进程使用，由操作系统对虚拟存储和物理存储之间构建映射关系，管理真实的物理内存分配，以达到提高利用率的效果。进程从这个虚拟存储空间的内存地址获取数据，操作系统将这个虚拟地址转变成实际的物理地址，从真实的物理内存上加载数据。这样子，对于每个进程来讲，它自己独享了一块连续的存储空间，也无需考虑访问冲突这件事。另外，在物理内存空间不足时，操作系统还会虚拟化磁盘空间作为虚拟存储空间（如图3）。

（图3）

三、内存管理单元与页式存储管理

　　操作系统应该如何去映射和管理虚拟存储和物理真实存储的关系呢？这其中就要用到内存管理单元和页表进行虚拟内存的管理，接下来对它们逐一介绍。

内存管理单元（MMU）：虚拟内存管理的核心硬件，用来管理虚拟内存地址到物理内存地址的映射。操作系统通过页，页表，页表条目来管理虚拟内存，而页作为管理内存的基本单位。
页：管理内存的基本单位；操作系统将内存划分固定大小的块，通常大小为4KB、8KB；基于物理内存的块叫做物理页，而基于虚拟内存的块叫做虚拟页。每个进程自己的虚拟地址空间，被分为若干页。
页表：页的集合，即基于页的一个数组，用于管理虚拟内存和物理内存之间的映射关系，每个进程有自己的页表。这个数组中的每一个元素为一个页表条目（Page Table Entry 简称PTE）
页表条目：页表中的单个条目，每个页表项对应一个虚拟页，且保存了虚拟页到物理页的映射信息（和一些其他的权限、状态信息，如是在内存还是磁盘的标识位，该页是否允许读写操作，该页是否是用户/内核态都能访问等）。页、页表条目、页表之间的关系如（图4）；PTE内部构造如（图5）。
（图4）（图5）

四、CPU发起一次访存的全过程

　　前文说过，内存管理单元（MMU)是虚拟内存管理的核心硬件，用来管理虚拟内存地址到物理内存地址的映射。进程要访问一个内存地址时，CPU将虚拟地址给到MMU，MMU去页表中查询虚拟地址对应的物理地址；因为页表本身也需要空间存储，假如MMU每次都去主存中查找页表会拖慢整次存储访问的速度，所以操作系统会在高速缓存区中维护了一个TLB（Translation Lookaside Buffer），TLB中保存了部分虚拟页到物理页的映射，MMU查询页表时会优先访问TLB，TLB未命中虚拟地址的页号时，才会去主存的进程页表中查询。整个访存过程如（图6）所示。