锁

死锁&产生死锁的必要条件

死锁：多个进程进程竞争资源而相互等待，无法继续推进

必要条件：

1. 互斥：资源只能被一个进程占用

2. 保持并等待：进程持有资源并等待其他资源

3. 不剥夺：已分配资源不能被剥夺

4. 循环等待：存在进程资源的循环等待链

破坏死锁

1. 通过算法分配资源确保系统处于安全状态

2. 进程一次性申请所有需要的资源

3. 允许剥夺资源

4. 对资源申请进行线性排序，按顺序申请，按相反顺序释放

内存管理

操作系统设计了虚拟内存，每个进程都有自己的虚拟内存

虚拟内存&解决什么问题

虚拟内存：每个进程的虚拟地址空间映射到物理内存，通过页表等机制管理，可使用磁盘作为后备存储

解决问题：

• 内存隔离，保护进程间不干扰（不同进程虚拟内存之间互相独立）

• 扩展可用内存，支持大于物理内存的程序（真正使用时按需分配）

• 简化内存管理（连续逻辑地址，物理上可以离散）

页表

分页将整个虚拟内存和物理内存空间切分为一段段固定尺寸的大小，以页为单位进行管理。

一个连续并且尺寸固定的内存空间称为页。linux操作系统默认一页大小为4KB

虚拟地址和物理地址通过页表进行映射。

分页机制下，虚拟地址分为页号和页内偏移量。通过页号在页表当中查询对应的物理页框号，将页框号组合偏移量得到物理内存地址。

缺页异常

进程访问的虚拟地址在页表中查询不到有效的物理映射时出现 缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后返回用户空间，恢复进程运行。

内存碎片

内存分页由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像内存分段一样段与段之间产生间隙非常小的内存（分段产生内存碎片的原因）。

页与页之间紧密排列，不会存在外部碎片。

同时，由于内存分页机制分配内存最小单位是一页，即使程序不足一页大小，因此页内会出现内存浪费——内部内存碎片。

段表

虚拟地址可以通过段表与物理地址进行映射。分段机制会将程序虚拟地址空间按照业务意义划分为多个段（代码段、数据段、堆、栈），每个段在段表中对应一个项，这个项中找到段的基地址，加上偏移量就能够找到物理内存中的地址。

虚拟地址如何转换为物理地址

通过内存管理单元Memory Management Unit完成。

转换过程当中通常使用页表进行映射。页表将虚拟空间划分为固定大小的页对应物理内存中页框。

程序访问一个虚拟地址时，MMU将虚拟地址分解为页号和页偏移量，之后查找页表，根据页号找到对应页表项，其中包含物理页地址和页框号。MMU将物理页地址和页内偏移量组合得到对应物理地址。

堆栈区别

1. 分配方式：堆是动态分配内存，程序员手动申请和释放内存，通常用于存储动态数据结构和对象。栈是静态分配内存，编译器自动分配和释放内存，用于存储函数局部变量和函数调用信息

2. 内存管理：堆需要程序员手动管理和释放，管理不当可能导致内存泄漏/移除。栈由编译器自动管理，遵循后进先出原则，变量生命周期由作用域决定。

3. 大小&速度：堆通常较大，动态分配内存和释放内存需要时间开销。

fork会复制什么东西

• fork阶段会复制父进程的页表

• fork之后，若发生写时复制，复制物理内存

Copy on Write写时复制

主进程执行fork的时候，操作系统将主进程的页表复制一份给子进程。

页表记录虚拟地址和物理地址之间的映射关系，不复制物理内存。

子进程就共享了父进程的物理内存数据，能够节省物理内存资源，页表对应的页表属性项记录物理内存权限为只读。

当父进程和子进程像这个内存发起写操作时，CPU触发写保护中断，操作系统在写保护中断处理函数中进行物理内存复制，并重新设置内存映射关系，将父子进程的内存读写权限设定为可读写。

也就是在发生写操作时操作系统才会复制物理内存，防止fork创建子进程时复制时间过长导致父进程长时间阻塞。

操作系统内存不足发生什么？

应用程序通过malloc申请内存时，实际上申请的是虚拟内存，并不会分配物理内存。

当应用程序读写到这块虚拟内存，CPU会去访问这个虚拟内存，这时候发现按虚拟内存没有映射到物理内存，CPU产生缺页中断，进程从用户态切换到内核态，交由内核缺页中断处理函数 处理。

缺页中断处理函数会查看是否存在空闲物理内存，存在则直接分配物理内存并建立虚拟内存和物理内存间映射关系。

没有空闲物理内存，内核开始回收内存工作，两种回收方式：

1. 后台内存回收（kswapd）：物理内存紧张时唤醒kswapd内核线程回收内存，过程异步，不需要阻塞进程

2. 直接内存回收：后台异步回收跟不上进程内存申请速度，开始直接回收，同步执行，会阻塞进程执行

直接内存回收之后还是无法满足物理内存申请，触发OOM机制。

OOM Killer机制会选择一个占用物理内存较高的进程，然后将其杀死释放内存资源，若依然不足会继续杀死占用物理内存较高进程直到释放足够内存。

哪些内存可以被回收

主要有两类内存可以被回收：

• 文件页：内核缓存的磁盘数据和内核缓存的文件数据。大部分文件页都可以直接释放缓存，需要时再次从磁盘读取。脏页需要先写入磁盘之后释放内存。

干净页直接释放内存，脏页先写入磁盘再释放内存

• 匿名页（堆内存中对象、用户栈等）：没有实际载体，可能还要被再次访问，不能直接释放内存，需要通过Linux的Swap机制，将不常访问的内存写到磁盘中，释放这些内存；需要再次访问时从磁盘读取。

内存对齐

数据存储在内存中时其首地址按照一定规则（例如数据类型大小倍数）防止

原因：

1. 硬件访问效率：许多CPU每次读取固定宽度数据，对齐可以避免多次访问出错

2. 可移植性：一些平台强制对其否则引发异常

3. 缓存性能：减少缓存行分裂