物理内存与虚拟内存

---

一 ,什么是物理内存？

物理内存（RAM）就是电脑里真实存在的内存空间，也就是内存条
电脑里有 CPU、RAM（内存）、SSD（硬盘)

• CPU：负责执行指令，进行计算
• RAM：存放程序运行时需要用到的数据
• SSD：用来存放文件和程序，关机后数据也能保存
  比如电脑安装了 16GB 的内存条，就有大约 16GB 的物理内存
  当我们运行一个 C 程序时，程序需要的数据会按需要放到 RAM 中，然后 CPU 再去访问这些数据

RAM 的读取速度比 SSD 快得多，但是断电后，RAM 中的数据一般就没了

---

二 ,什么是虚拟内存？

虚拟内存不是电脑里真的多出来了一块内存，而是操作系统给程序提供的虚拟地址空间

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a=10;
    printf("%p\n",(void *)&a);
    return 0;
}

分析

• &a：取出变量 a 的地址
• %p：输出地址

这里输出的一般是虚拟地址，并不是数据在内存条里的实际地址

• 比如程序 A 和程序 B
  程序 A：虚拟地址 1000 → 物理地址 5000
  程序 B：虚拟地址 1000 → 物理地址 8000

• 两个程序的虚拟地址虽然相同，但是对应的物理地址可以不同

也就是说，程序使用的是虚拟地址，数据真正存放的位置是在物理内存里

为什么要有虚拟内存

假如程序直接使用物理地址，不同程序之间就容易互相影响
操作系统给每个程序分配自己的虚拟地址空间，这样的话

1. 不同程序一般不能随便访问对方的内存
2. 程序不用自己去找物理内存的位置
3. 申请了虚拟内存，也不代表马上就用了同样大小的物理内存

虚拟内存不等于 Swap（交换空间），这两个不是一个东西

虚拟内存的划分

1. 代码段 - - -存放程序的指令
2. 数据段 - - -存放全局变量和静态变量
3. 堆 - - - 程序自己申请的内存
4. 栈 - - - 函数的临时工作台
5. 内存映射区 - - -链接文件与内存的区域

---

三, 虚拟地址是怎么转换成物理地址的？

1. 页

操作系统不是一个字节一个字节地管理内存，而是把内存分成一块一块的，这一块就叫页
比如很多 Linux 电脑的一个页是 4096 字节，也就是 4KiB

不同电脑的页大小不一定相同

2. 页表

页表用来记录虚拟页和物理页之间的对应关系
比如
虚拟页 1 -> 物理页 8
虚拟页 2 -> 物理页 3
虚拟页 3 -> 物理页 12

程序访问虚拟地址时，需要根据页表找到它对应的物理地址

3. MMU 和 TLB

• MMU：CPU 里负责把虚拟地址转换成物理地址的硬件
• TLB：用来保存最近使用过的地址对应关系，避免每次都去查页表

如果 TLB 里有对应关系，就可以直接使用，没有的话，再查页表
TLB 没查到，不代表发生了缺页异常

4. 缺页异常

比如程序申请了一块内存，但是还没有真正使用，这时操作系统可能还没有给它分配对应的物理内存，等程序第一次访问这块内存时，就可能发生缺页异常

• 如果是正常的内存访问，操作系统可以分配物理内存，然后继续运行
• 如果数据暂时在硬盘上，就可能需要先把数据读回来
• 如果访问了不允许访问的地址，就可能出现段错误

缺页异常不一定是程序出错，也可能是操作系统正常分配内存的过程

---

四, Swap 是什么？

Swap 就是交换空间，一般使用硬盘上的一部分空间

• 比如电脑只有 16GB 的 RAM，但是同时运行的程序比较多，物理内存不太够用，Linux 就可能把暂时不用的一些内存页放到 Swap 里,等需要这些数据时，再把它们读回来

• Swap 用的是硬盘空间，不是真的增加了内存条

• SSD 比 RAM 慢很多，所以频繁使用 Swap 可能会让电脑变卡

• 也不是 RAM 占用高就一定会用到 Swap，还要看系统设置

---

五, malloc 申请的是虚拟内存还是物理内存？

我们写 C 语言时，经常会用到 malloc

int *p=malloc(100*sizeof(int));

相当于申请一块能存放 100 个 int 的内存空间
但是 malloc 成功后，并不代表操作系统已经马上分配了同样大小的物理内存

在常见的 Linux 环境下，系统可能先准备好虚拟地址空间，等程序真正访问时，再分配对应的物理页

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE (64*1024*1024)

int main()
{
    char *p=malloc(SIZE);
    if(p==NULL)return 1;

    printf("第一次暂停\n");
    getchar();

    for(size_t i=0;i<SIZE;i+=4096)
    {
        p[i]=1;
    }

    printf("第二次暂停\n");
    getchar();

    free(p);
    return 0;
}

分析

• SIZE：申请 64*1024*1024 字节，也就是 64MiB
• malloc(SIZE)：申请内存
• 第一个 getchar()：让程序先停下来，方便查看内存占用
• p[i]=1：每隔 4096 字节写入一个数据。如果页大小是 4KiB，相当于每页都写入一次
• 第二个 getchar()：再次暂停，查看内存占用有没有变化
• free(p)：释放之前申请的内存，释放以后就不能再通过 p 使用这块空间

---

六, 用 Ubuntu 终端查看内存

1. 查看内存使用情况

终端输入
free -h

• free：查看系统内存的使用情况
• -h：让输出的数字更容易看，比如用 MiB、GiB 表示
• Mem：物理内存
• Swap：交换空间

这里的 free 是 Linux 命令，不是 C 语言里的 free(p)。

2. 编译与运行代码

先将代码保存为 show.c，然后在终端输入：

gcc show.c -o show

./show

• gcc show.c -o show：编译代码，生成 show 可执行文件
• ./show：运行程序

程序第一次会停在：

第一次暂停

先不要按回车，再打开一个终端，输入：

ps -C show -o pid,comm,vsz,rss

分析

• ps：查看进程信息
• -C show：只查看进程名为 show 的程序
• -o：指定输出哪些信息
• pid：进程编号
• comm：进程名称
• vsz：虚拟内存大小
• rss：当前驻留在物理内存中的大小

这里 VSZ 和 RSS 的单位通常都是 KiB，不是字节

比如 RSS 显示 1680，就是 1680KiB，它不一定为 0，因为程序本身运行也要占用一些物理内存，并不只有 malloc 申请的那部分
然后回到第一个终端，按一次回车，让程序执行写入操作，再运行一次上面的 ps 命令

分析

• 执行 malloc 后，VSZ 已经增加，RSS很少
• 往内存里写入数据后，VSZ不变，RSS 会明显增加

申请了内存空间，不代表马上占用同样大小的 RAM，等真正访问以后，物理内存占用才可能增加

RSS 也可能包含共享的内存页，不能直接理解成这个程序独占的全部内存

---

七 , 内存单位

• 1KiB = 1024 字节
• 1MiB = 1024KiB
• 1GiB = 1024MiB

注意 free -h 和 ps 显示的单位可能不一样

---

总结

1. 物理内存就是电脑里真实存在的 RAM
2. 虚拟内存是操作系统给程序提供的地址空间，程序一般使用虚拟地址
3. 页表和 MMU 用来完成虚拟地址到物理地址的转换，TLB 可以加快查找
4. Swap 是交换空间，不等于虚拟内存
5. malloc 申请成功后，物理内存不一定马上增加同样多，可以用 VSZ 和 RSS 观察