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[导读]为增进大家对虚拟内存的认识,本文将对虚拟内存的类型、虚拟内存的好处予以介绍。

虚拟内存能帮助我们加载更多的数据到内存当中,在现今,虚拟内存已经是一项非常成熟的技术。为增进大家对虚拟内存的认识,本文将对虚拟内存的类型、虚拟内存的好处予以介绍。如果你对虚拟内存具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

一、虚拟内存的类型

计算机的 MMU 管理虚拟内存操作。在大多数计算机中,MMU 硬件集成到中央处理单元 (CPU) 中。CPU 还生成虚拟地址空间。一般来说,虚拟内存要么是分页的,要么是分段的。

分页将内存划分为多个部分或分页文件。当计算机用完其可用 RAM 时,未使用的页面将使用交换文件传输到硬盘驱动器。交换文件是硬盘驱动器上留出的空间,用作计算机 RAM 的虚拟内存扩展。当需要交换文件时,它会使用称为页面交换的过程发送回 RAM。该系统确保计算机的操作系统和应用程序不会耗尽实内存。页面文件的最大大小可以是计算机物理内存的 1 ½ 到四倍。

虚拟内存分页过程使用页表,将操作系统和应用程序使用的虚拟地址转换为 MMU 使用的物理地址。页表中的条目指示该页是否在 RAM 中。如果操作系统或程序在 RAM 中找不到所需的内容,则 MMU 会通过页面错误异常来响应丢失的内存引用,以使操作系统在需要时将页面移回内存。一旦页面进入 RAM,其虚拟地址就会出现在页表中。

分段还用于管理虚拟内存。这种方法将虚拟内存划分为不同长度的段。内存中未使用的段可以移动到硬盘驱动器上的虚拟内存空间。分段信息或进程在段表中进行跟踪,该表显示内存中是否存在段、是否已被修改以及其物理地址是什么。此外,分段中的文件系统仅由映射到进程的潜在地址空间的段组成。

分段和分页作为内存模型的不同之处在于内存的划分方式;然而,这些过程也可以组合。在这种情况下,内存被分为帧或页。段占用多个页,虚拟地址包括段号和页号。

其他页面替换方法包括先进先出(FIFO)、最优算法和最近最少使用( LRU )页面替换。FIFO 方法让内存选择替换在虚拟地址中停留时间最长的页面。最优算法方法根据最长时间后不太可能被替换的页面来选择页面替换;尽管实现起来很困难,但这会减少页面错误。LRU页面替换方法替换主存中最长时间未被使用的页面。

二、虚拟内存好处

1、进程间共享物理内存

在开发过程中,我们常遇到不同程序需要打开同一文件的情况,例如同时用 node app.js 运行程序,又用 VSCode 编辑 app.js。这时,操作系统只需加载一次 app.js,并将两个进程中对 app.js 的虚拟地址映射到相同的物理内存区域,实现资源共享。

除了文件之外,很多程序会共同使用一些常用的动态链接库,如 Mac 系统下的 ls、cat 等命令都需要 libSystem.B.dylib。系统会在内存充足的情况下持续保留这类常用库在内存中,方便后续进程快速地调用。

2、按需加载

在有虚拟内存之前,要执行一个程序往往需要把整个程序加载进内存。

但仔细想一想, 每个程序都有很多地方根本不太会被执行到 :比如说有些代码的功能是在程序崩溃之时把 stack trace 印出来、有些则是在服务异常时发送 slack 通知给开发人员。 如果这些例外状况极少发生,那把整个程序都加载内存内显然不是个好主意。

系统只会把当前马上要用到的部分加载至物理内存,而那些不太可能被执行到的部分(比如异常处理函数或极少使用的代码)则暂时不用加载。这种按需加载的方式被称为懒加载,可减少程序启动等待时间,并避免少数大型程序占用大量内存。

3、交换(Swapping)

当所需内存过大以至于物理内存不足时,系统会采取交换机制,即将曾经使用过但短期内可能不再需要的内存内容临时移出到硬盘上。例如,程序启动初期执行过的init()函数或偶尔才调用的error_handler()函数,在内存紧张时会被换出到硬盘,需要时再载入。

比如说程序刚启动时要跑的 init() 、偶尔才跑一次的 error_handler() , 他们都曾经被执行过所以一定有被加载内存 。但如果可用的内存快没了,系统就会把他们 swap 出去(没用的东西都给我滚),哪天需要时再从硬盘拿回来就好

有了 swapping 机制后虽然可以增进内存的使用效率,而且内存绝对不会不够用(说穿了就是拿硬盘当扩充内存),虽然交换机制可以有效扩大内存利用率,但如果频繁进行交换操作,由于硬盘速度远低于内存,会导致系统整体性能显著降低。

那怎么知道系统用了多少 Swap 呢?看 htop 就可以了。我的 htop 打开后会看到 Swp 是 0/1023MB,意思是系统没有把任何内存 swap 到硬盘上(因为我的 Mem 还够用),但如果需要的话最多可以把 1023MB 的内存 swap 出去,等需要时再拿回来就好

如果没有装 htop 的话,top 最上面也有 swap in 跟 swap out 可以看目前用了多少 swap 哦~

那知道 Swap 使用量可以做什么呢?刚刚有提到说频繁的做 swapping 会导致性能变差,因此如果常常觉得电脑、主机慢到炸裂,开个浏览器一分钟才跳出来,而且刚好 Swap 的使用量又很高,那就很有可能是内存不足,快帮你的机器升级吧~

以上便是此次带来的虚拟内存相关内容,通过本文,希望大家对虚拟内存已经具备一定的了解。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,将于后期带来更多精彩内容。最后,十分感谢大家的阅读,have a nice day!

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