操作系统内存管理基础

虚拟内存（Virtual Memory）

虚拟内存的实现思想：

• 将外存储器的部分空间作为内存的扩展
• 当内存不足时，系统将按照一定算法自动挑选优先级低的数据块，并把它存储到磁盘中
• 后续如果需要用到磁盘中的这些数据，系统将产生“缺页”指令，然后把它们交换会内存
• 这些操作都由操作系统内核自动完成，对上层应用“完全透明”
  三种不同的地址空间：

1、逻辑地址（Logical Address）

也成相对地址，是程序编译后所产生的地址，逻辑地址有两部分组成：

• Segment Selector（段选择子）
  用于描述逻辑地址所在的段，16bit。
• Offset
  用于描述段内的偏移值，32bit。

2、线性地址（Linear Address)

线性地址是逻辑地址经过分段机制转换后形成的，其基本思想是:

• 根据段选择子中的TI字段，得知段描述符存储在GDT或LDT中
• 通过GDTR/LDTR获得GDT/LDT的存储地址
• 根据段选择子中的INDEX字段，到GDT/LDT中查找到对应的段描述符
• 根据段描述符获得此段的基地址
• 由基地址+段内便宜地址得到线性地址

3、物理地址（Physical Address）

它指机器真实的物理内存所能所表示的地址空间范围。当系统开启了分页机制后，线性地址需要经过一次转换才是物理地址。

• 页
  与分段机制不同的是，分页机制的操作对象是固定大小的内存块，称为“页”，页的大小为4KB
• 页框
  与页的概念相对，页框是对物理内存的最小操作单位，显然页和页框大小必须完全一致，即4KB。

内存保护

最初的操作系统中，并没有严格的内存保护机制，对于内存的访问完全由程序编写。后来人们逐渐认识到内存保护的必要性，并列入内存管理的重点。

内存分配与回收

1、保证硬件无关性

每个硬件平台的物理内存型号、大小甚至架构等可能都各不相同，这种差异决不能体现在应用程序上，操作系统应尽可能实现向上的“透明”。

2、动态分派内存和回收

3、内存碎片

内核既要保证内存分配的合理性，也要考虑整体机制的高效性。在Android系统中，内存的分配与回收分为两个方向：

• Native层
  本地层的程序基本上是由C/C++编写，动态分配的内存需要人工管理。
• Java层
  Java相对于C在内存管理上做了很多努力，提供了自动管理内存，但是Java本身不是万能的，在开发过程中还是要遵循良好的内存使用规范。

进程间通讯——mmap

mmap可以将某个设备或者文件 映射到应用进程的内存空间中，这样访问这块内存就相当于对设备/文件进行读写，而不再通过read()和wirte()。通过映射同一块物理内存来共享内存即可实现进程间通讯，这种方式因为减少了数据复制次数，一定程度上提高了进程间通讯的效率。

Android匿名共享内存

Anonymous Shared Memory（简称Ashmem）是Android特有的内存共享机制，它可以将制定的物理内存映射到各个进程自己的虚拟地址空间中，从而便捷地实现进程间的内存共享。

参考资料

• 深入理解Android内核设计思想. 林学森。