內存管理

單進程DOS時代

DOS時代 - 同一時間只能有一個進程在運行（也有一些特殊算法可以支持多進程）
windows9x - 多個進程裝入內存存在的問題：

• 內存不夠用
• 互相打擾

為了解決這兩個問題，誕生了現在的內存管理系統：使用虛擬地址、分頁裝入、軟硬件結合尋址。

將內存分頁（因為內存不夠用），內存中分成固定大小的頁框4K，把硬盤上的程序也分成4K大小的塊。另外維護一個頁框page frame，用到哪一塊，就將哪一塊加載進內存中。

例如，執行QQ.exe時，把它的頁表記錄下來，執行時，用到頁表中的哪一頁，就將這頁加載進內存中。
在加載的過程中，如果內存已經滿了，會把最不常用的一塊放到swap分區， 把最新的一塊加載進來，這個就是著名的LRU算法。這就是交換分區的由來。

LRU算法（解決內存不夠用的問題）

LeetCode 146 題，頭條要求15分鐘內手撕，阿里去年也要求手撕

幾乎所有涉及到緩存的，都用到了LRU（Least Recently Used：最不常用）或LFU算法。

使用LinkedHashMap可以實現 LRU 算法
哈希表（保證查找操作O(1)） + 雙向鏈表 （保證排序操作和新增操作 O(1)））

虛擬內存（解決不同進程內存相互打擾的問題）

以DOS Win31 …這類系統為例，A進程、B進程是可以互相操作內存的。
為了保證互不影響，讓進程工作在虛擬空間。在程序中用到的空間地址不再是直接的物理地址，而是虛擬的地址，這樣，A進程永遠不可能訪問到B進程的空間。

虛擬空間多大呢？
虛擬空間的大小就是尋址空間，要看操作系統是多少位的。
例如，64位系統的虛擬空間是2^64，32為系統的虛擬空間是2^32。
虛擬空間比物理空間大很多 ，單位是 byte

為什么使用虛擬內存？
站在虛擬的角度，進程是獨享整個系統 + CPU

地址是怎么映射的？
內存映射：偏移量 + 段的基地址 = 線性地址 （虛擬空間）
線性地址通過 操作系統 + MMU（硬件 Memory Management Unit內存管理單元）來映射到真正的物理地址。
只有操作系統內核知道虛擬內存中地址對應的真正的物理地址，應用程序是不知道的，這樣保證了系統的安全。

P1,P2,P3,P4都認為自己是獨占整個內核的，實際上是共享操作系統內核。
MMU給每一個進程分配他們的內存資源。
如果內存裝滿了，使用LRU算法將最不常使用的頁放入硬盤的交換空間中。

缺頁中斷

在執行一條指令時，如果發現需要用到頁在內存中沒有，那么停止該指令的執行，并產生一個缺頁異常（中斷），由內核處理并加載，之后，原先引起的異常的指令就可以繼續執行，而不再產生異常。

ZGC 垃圾回收器

算法叫做：Colored Pointer 顏色指針
它的GC信息記錄在指針上，而不是記錄在頭部， immediate memory use
42位指針 尋址空間4T JDK13 將尋址空間擴展到了 16T 目前為止最大16T 2^44

CPU如何區分一個立即數和一條指令？
總線內部分為：數據總線、地址總線、控制總線。從數據總線過來的，就是立即數；從控制總線過來的，就是指令…
因為地址總線目前48位（48根，廠商為了省成本），所以目前ZGC的尋址空間為48-4（用于顏色指針）=44位，也就是 16T = 2^44

顏色指針本質上包含了地址映射的概念

JVM 的很多思想都是來源于Linux的，Linux的很多概念是自創的。

• AQS 來源于 Linux 的 Futex 鎖
• ZGC 的顏色指針思想來源于地址映射

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java程序员需要掌握的计算机底层知识（四）：内存管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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