【操作系统笔记】内存分配

内存对齐

问题：为什么需要内存对齐呢？

• 主要原因是为了兼容，为了让程序可以运行在不同的处理器中，有很多处理器在访问内存的时候，只能从特定的内存地址读取数据。换个说法就是处理器每次只能从内存取出特定个数字节的数据。

• 如果不做内存对齐的话，CPU 访问一个变量的值有可能需要跨两个内存块（假设每4字节为一块）就需要访问 2 次，损耗 CPU 性能，内存对齐后，CPU 只需要一次访问就可以读取 4 字节数据。

比如说一次只能读取 4 个字节的数据，那么处理器只能访问的地址必须是 4 的倍数，比如 0x0、0x4、0x8、0x12等等。

如果内存不对齐的话，会有什么影响？

• 那一个变量的值可能跨两个内存块，那么 CPU 就需要访问两次，损耗 CPU 性能。

关于内存对齐需要知道的事情：

• 如果程序只是运行在 AMD64 和 x86 处理器上，是不需要考虑内存对齐的

  因为 AMD64 处理器可以读取任何小于等于 8 字节的变量，x86 可以读取任何小于等于 4 字节的变量。

• 但是，为了使的程序可以兼容其他的处理器，一般都会考虑内存对齐

• 采用了内存对齐技术，即保证无论 CPU 一次取几个字节（1、2、4、8、16…）只要所取的变量大小小于一次可读取的字节数，就不会访问两次内存。

用户态虚拟内存分配和释放

malloc 和 free

malloc 和 free 用于程序在用户态下、申请和释放堆内存，所谓的堆内存，其实就是运行时堆区域的一段虚拟地址空间。虚拟地址数量也是有限的，不合理分配的话会很快的就用完了，也就发生 OOM 了。

提高虚拟内存的利用率，也就是用过的虚拟地址，释放后，可以重复分配使用。分配和释放的时间复杂度，吞吐率要高。

申请堆内存的方法有两个：

• ① mmap：通过增加内存映射来申请堆内存
• ② sbrk: 通过改变 brk 来申请堆内存

malloc 和 free 的全流程解析：https://www.processon.com/view/link/62384ce70e3e74074cf4ebae

用户态和内核态内存分配

用户态通过mmap和malloc申请分配得到的内存都是虚拟内存地址，只有当 CPU 访问该地址时，发现对应的物理页号不存在，发生缺页异常，此时才会真正的分配物理内存，这是由缺页异常处理程序分配物理页号到虚拟页表来完成的。