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  • 内存分区介绍

    2016-02-25 14:58:02
    本文档主要介绍了内存分区模型、大小端和字节对齐的问题
  • 编写程序模拟实现内存的动态分区法存储管理内存空闲区使用自由链管理,采用最坏适应算法从自由链中寻找空闲区进行分配,内存回收时要与相邻空闲区的合并 初始状态信息:假定系统的内存共640K,初始状态为操作系统本身...
  • Linux内存分区

    2020-09-14 13:27:13
      Linux支持多种硬件体系结构,因此Linux必须采用通用的...内存分区(Zone):Linux对内存节点再进行划分,分为不同的分区。内核以struct zone来描述内存分区。通常一个节点分为DMA、Normal和High Memory内存区。 DM

      Linux支持多种硬件体系结构,因此Linux必须采用通用的方法来描述内存,以方便对内存进行管理,为此,Linux有了内存节点、内存区、页框的概念。

    内存节点(Node):主要依据CPU访问代价的不同而划分。多CPU下环境下,本地内存和远端内存就是不同的节点。内核以struct pg_data_t来描述内存节点。

    内存分区(Zone):Linux对内存节点再进行划分,分为不同的分区。内核以struct zone来描述内存分区。通常一个节点分为DMA、Normal和High Memory内存区。

    • DMA内存区:即直接内存访问分区,通常为物理内存的起始16M。主要是供一些外设使用,外设和内存直接访问数据访问,而无需系统CPU的参与
    • Normal内存区:从16M到896M内存区
    • HighMemory内存区:896M以后的内存区

       为什么高端内存的边界是896M? 因为32位Linux虚拟内存空间为0-4G,其中0-3G用于用户态,3G-4G用于内核态。这意味着内核只有1G的虚拟地址空间,如果物理内存超过1G,内核就无法映射了。Linux采取的策略是,内核地址空间的前896M采用固定映射,映射方法是:虚拟地址-3G = 物理地址,只能映射到物理地址的前896M。也就是说内核虚拟地址空间的3G到3G+896M这部分,页表的映射是固定的,系统初始化时就建立起来。而虚拟地址空间的最后128M,也就是3G+896M到4G部分采用动态映射,也就是说页表映射的物理地址可变的。在系统运行过程中,通过更新页表,就可以映射到不同的物理地址,当然也包括高端物理内存。
      这主要解决了两个问题:第一,这可以使内核地址空间映射到高端物理内存;第二,虚拟地址空间的3G+896M到4G部分,连续的虚拟地址空间可以映射到非连续的物理内存,只要通过更新页表就可以做到,这和用户态的虚拟内存映射采用了同样这种方法。这在没有大段连续的空闲物理地址时是非常重要的。

    页框(Page Frame):Linux采用页式内存管理,页是物理内存管理的基本单位,每个内存分区又由大量的页框组成。内核以struct page来描述页框。页框有很多属性,这些属性描述了这个页框的状态、用途等,例如是否被分配。
    在这里插入图片描述
    上图中的zone_mem_map是一个页框的数组,它记录了一个内存分区的所有页框的使用情况。

    备用内存区
      在一个内存区分配页时,如果这个内存区没有满足条件的内存页,则需要从其它内存区或从其它内存节点分配。Linux为每个内存区都建立了备用内存区列表,当前内存区没有满足条件的内存时,就从备用内存区分配。比如,系统中有4个内存节点A,B,C,D,每个内存节点又分为DMA、Normal、HighMemory内存区。对节点B来说,内存区分配列表可能是
    B(HighMemory)、B(Normal)、B(DMA)、
    A(HighMemory)、A(Normal)、A(DMA)、
    C(HighMemory)、C(Normal)、C(DMA)、
    D(HighMemory)、D(Normal)、D(DMA)。
      分配内存时,优先从本地内存节点分配,再从其它内存节点分配。对一个内存节点,优先从HighMemory分配,再从Normal或DMA分配。

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  • 内存分区

    千次阅读 2018-12-07 22:47:58
    内存数据的分区情况大概是如下这样子的: 堆和栈 栈 堆和栈的区别 一个问题:为什么fork之后,Linux会有意的让子进程先执行呐? 内存数据的分区情况大概是如下这样子的: 动态存储区 1. 栈区(stack)...

    内存数据的分区情况大概是如下这样子的:

    在这里插入图片描述

    • 动态存储区

      • 1.栈区(stack):由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其 操作方式类似于数据结构中的栈。
      • 2.堆区(heap) :一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事, 分配方式类似于链表
    • 静态存储区(全局区 : static):全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。

      • 一. 数据段
        • 1.已初始化读写数据段(RW data ):已初始化数据是在程序中声明,并且具有初值的变量,这些变量需要占用内存空间,当可执行文件被加载到内存中用于执行时,这些数据也被加载到内存中。定义的初始化数据越多,可执行文件就越大,运行它的时候也就需要更长的时间才能将它们从磁盘加载到内存。
        • 2. 未初始化数据段(BSS):未初始化数据是在程序中声明,但是没有初始化的变量,这些变量在程序运行之前不需要占用内存空间。 Block Started by Symbol,BSS段的变量只有名称和大小却没有值。也就是不会添加到可执行文件中去
        • 3.文字常量区(只读数据段:RO data):只读数据段是程序使用的一些不会被更改的数据,使用这些数据的方式类似查表式的操作,由于这些变量不需要更改,因此只需要放置在只读存储器中即可。通常字符串常量就是放置在这里,程序结束后由系统释放
      • 二.代码段:存放二进制代码。

    在这里插入图片描述

    堆和栈

    在x86体系中,栈顶由堆栈指针寄存器 ESP 来标记,它是一个32位寄存器,里面存放着最后一个压入栈顶的项的内存地址。正因为有它,我们才能够随时操作到需要的项。也正因为有它,我们才能够限制栈的大小,系统会发出错误并终止程序。

    栈经常可以用来在寄存器紧张的情况下,临时存储一些数据,并且十分安全。当寄存器空闲后,我们可以从栈中弹出该数据,供寄存器使用。这种临时存放数据的特性,使得它经常用来存储局部变量,函数参数,上下文环境等。

    堆和栈的区别
    • 1.申请方式
      堆是由程序员自己申请并指明大小,在c中malloc函数 如p1 = (char *)malloc(10);
      栈由系统自动分配,如声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间

    • 2.申请后系统的响应
      栈:只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。
      堆:从伙伴或者slab中申请内存。

    • 3.申请大小的限制
      栈:在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在WINDOWS下,栈的大小是2M(也有的说是1M,总之是 一个编译时就确定的常数),如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。因此,能从栈获得的空间较小。
      堆:堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存(与地址总线有关)。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。

    • 4.申请效率的比较
      栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。
      堆是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.这里就可以延伸到内存池,tcmalloc等等。

    一个问题:为什么fork之后,Linux会有意的让子进程先执行呐?

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    因为execve(2)会负责为进程代码段和数据段建立映射, 真正将代码段和数据段的内容读入内存是由系统的缺页异常处理程序按需完成的。

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  • 一贴在手,手机内存无忧,无论你安装n多软件、游戏,都不用担心内存不够用了! A、系统自带的app2sd不给力,许多应用无法装到卡上; B、装到卡上应用多了,担心运行速度慢,怕影响手机性能!…… 此贴只需使用两个...
  • 为此,Linux有了内存节点、内存区、页框的概念,这些概念也是一目了然的。内存节点(Node):主要依据CPU访问代价的不同而划分。多CPU下环境下,本地内存和远端内存就是不同的节点。即使在单CPU环...

    https://www.cnblogs.com/youngerchina/p/5624516.html

    Linux支持多种硬件体系结构,因此Linux必须采用通用的方法来描述内存,以方便对内存进行管理。为此,Linux有了内存节点、内存区、页框的概念,这些概念也是一目了然的。

    内存节点(Node):主要依据CPU访问代价的不同而划分。多CPU下环境下,本地内存和远端内存就是不同的节点。即使在单CPU环境下,访问所有内存的代价都是一样的,Linux内核依然存在内存节点的概念,只不过只有一个内存节点而已。内核以struct  pg_data_t来描述内存节点。
    内存分区(Zone):Linux对内存节点再进行划分,分为不同的分区。内核以struct zone来描述内存分区。通常一个节点分为DMA、Normal和High Memory内存区,具体下面再介绍。
    页框(Page Frame):Linux采用页式内存管理,页是物理内存管理的基本单位,每个内存分区又由大量的页框组成。内核以struct page来描述页框。页框有很多属性,这些属性描述了这个页框的状态、用途等,例如是否被分配。


    上图中的zone_mem_map是一个页框的数组,它记录了一个内存分区的所有页框的使用情况。

    DMA内存区:即直接内存访问分区,通常为物理内存的起始16M。主要是供一些外设使用,外设和内存直接访问数据访问,而无需系统CPU的参与。
    Normal内存区:从16M到896M内存区。
    HighMemory内存区:896M以后的内存区。

    为什么高端内存的边界是896M?这是因为,32位Linux虚拟内存空间为0-4G,其中0-3G用于用户态,3G-4G用于内核态。这意味着内核只有1G的虚拟地址空间,如果物理内存超过1G,内核就无法映射了。Linux采取的策略是,内核地址空间的前896M采用固定映射,映射方法是:虚拟地址-3G = 物理地址,只能映射到物理地址的前896M。也就是说内核虚拟地址空间的3G到3G+896M这部分,页表的映射是固定的,系统初始化时就建立起来。而虚拟地址空间的最后128M,也就是3G+896M到4G部分采用动态映射,也就是说页表映射的物理地址可变的。在系统运行过程中,通过更新页表,就可以映射到不同的物理地址,当然也包括高端物理内存。

    这主要解决了两个问题:第一,这可以使内核地址空间映射到高端物理内存;第二,虚拟地址空间的3G+896M到4G部分,连续的虚拟地址空间可以映射到非连续的物理内存,只要通过更新页表就可以做到,这和用户态的虚拟内存映射采用了同样这种方法。这在没有大段连续的空闲物理地址时,是非常重要的。

    备用内存区:
    在一个内存区分配页时,如果这个内存区没有满足条件的内存页,则需要从其它内存区或从其它内存节点分配。Linux为每个内存区都建立了备用内存区列表,当前内存区没有满足条件的内存时,就从备用内存区分配。比如,系统中有4个内存节点A,B,C,D,每个内存节点又分为DMA、Normal、HighMemory内存区。对节点B来说,内存区分配列表可能是B(HighMemory)、B(Normal)、B(DMA)、
    A(HighMemory)、A(Normal)、A(DMA)、
    C(HighMemory)、C(Normal)、C(DMA)、
    D(HighMemory)、D(Normal)、D(DMA)。
    分配内存时,优先从本地内存节点分配,再从其它内存节点分配。对一个内存节点,优先从HighMemory分配,再从Normal或DMA分配。
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  • 操作系统课程内存的动态分区分配模拟程序,程序相对简单,通过这个模拟程序能够帮助学习者会更好的学习os,供有需要的人学习使用。
  • C++中的内存分区介绍

    2020-09-03 13:39:11
    主要介绍了C++中的内存分区介绍,C++的内存划分为栈区、堆区、全局区/静态区、字符串常量和代码区,本文分别对他们一一说明,需要的朋友可以参考下
  • 内存 分区 固态硬盘

    2017-01-04 11:18:31
    内存 分区 固态硬盘内存 分区 固态硬盘
  • 区分-JVM内存分区和Java内存模型(Java Memory Model)

    千次阅读 多人点赞 2019-05-08 17:55:13
    也是最近被问到了Java内存模型,学识浅薄,一直以为内存分区和内存模型是一个东西,现在做一下笔记整理一下以区分和学习这两个概念及其延伸的一些知识点。 开门见山 解决问题 JVM内存分区具体指的是JVM中运行时...

    也是最近被问到了Java内存模型,学识浅薄,一直以为内存分区和内存模型是一个东西,现在做一下笔记整理一下以区分和学习这两个概念及其延伸的一些知识点。

    开门见山 解决问题

    • JVM内存分区具体指的是JVM中运行时数据区的分区。
    • JMM是一种规范,是抽象的概念,目的是解决由于多线程并发编程通过内存共享进行通信时,存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题,即保证内存共享的正确性(可见性、有序性、原子性)。

    也就是说,Java内存分区和JMM是完全不同层次的概念,更恰当说JMM描述的是一组规范,围绕原子性,有序性、可见性,通过这组规范控制程序中各个变量在共享数据区域和私有数据区域的访问方式。JMM与Java内存区域其实都是抽象的概念,唯一相似点,都存在共享数据区域和私有数据区域,在JMM中主内存属于共享数据区域,从某个程度上讲应该包括了堆和方法区,而工作内存数据线程私有数据区域,从某个程度上讲则应该包括程序计数器、虚拟机栈以及本地方法栈。或许在某些地方,我们可能会看见主内存被描述为堆内存,工作内存被称为线程栈,实际上他们表达的都是同一个含义。

     

     

    JVM内存区域划分

                                                 

    老生常谈的问题:.java文件被Java Compiler便以为.class字节码文件,随后Class Louder加载各类的字节码文件,加载完后交由Execution Engine执行。执行引擎负责具体的代码调用及执行过程。就目前而言,所有的Java虚拟机的执行引擎都是一致的:输入的是字节码文件、处理过程是等效字节码解析过程,输出的是执行结果。Runtime Data Area用来存放程序运行时的数据和相关信息,也就是常说的JVM内存。

    Runtime Data Area

    JVM规范了内存分区,由方法区、堆、虚拟机栈、程序计数器、本地方法栈组成。

                           

    1. 方法区(Mehtod Area):属线程共享内存区域,又叫Non-Heap,作用是储存已被JVM加载的类信息、常量、静态变量、即时编译后的代码等。其中的Runtime Constant Pool(运行时常量池), 用于存放编译器生成的符号引用和字面量(就是这个量本身,如字符串“ "ABC" ”,int型"3"),由于Java不要求常量一定在编译时产生,所以它具备 动态性 特征,运行期间产生的新常量也会加入池中。当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError 异常。

    2. Java堆(Heap):属线程共享内存区域,在虚拟机启动时创建,占用区域最大,用于存放对象实例,可以处理不连续的内存空间,可扩展,是GC机制管理的主要区域,所以也被叫做GC堆。由于现在收集器基本都采用分代收集算法,所以Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代;在细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。从内存分配的角度看,线程共享的Java 堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。不过无论如何划分,都与存放内容无关,无论哪个区域,存储的都仍然是对象实例,进一步划分的目的是为了更好地回收内存,或者更快地分配内存。当堆中没有内存满足实例分配需求,并且堆也无法再扩展时,将会抛出OutOfMemoryError 异常。

    3. 虚拟机栈(JVM Stacks):属线程私有内存区域,与线程同时创建,总数与线程数关联,代表Java方法执行的内存模型。每一个运行在Java虚拟机里的线程都拥有自己的线程栈,这个线程栈包含了这个线程调用的方法当前执行点相关的信息。每个方法执行时都会创建一个栈桢来存储方法的的变量表、操作数栈、动态链接方法、返回值、返回地址等信息。每个方法从调用直结束就对于一个栈桢在虚拟机栈中的入栈和出栈过程。当虚拟机栈中没有内存满足实例分配需求,会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

    4. 程序计数器(Program Counter Register):属线程私有内存区域,占一小块内存区域,用于指示当前执行字节码的行号,通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。此内存区域是唯一 一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

    5. 本地方法栈(Native Method Stacks):属线程私有内存区域,本地方法栈与虚拟机栈发挥的功能非常类似,只是虚拟机栈为虚拟机执行java方法而服务,而本地方法栈为虚拟机执行native方法而服务。当本地方法栈中没有内存满足实例分配需求,会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

    Java内存模型(JMM)

    JMM是一种抽象的概念,它是一种规范,定义了程序中各个变量访问的方式。JVM运行程序的实体是线程,每个线程创建时JVM会为其创建相应的工作内存(空栈间),用于储存线程私有数据,JMM中规定所有变量都存储在主内存上,所有线程都可访问,线程对于变量的操作(赋值、读取等)必须在工作内存进行,操作完成首在写回主内存,这样个线程之间就无法相互访问,线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成。

    • 主内存(堆内存):主要存储实例对象,所有线程创建的实例对象(成员、局部、静态、常量等)都放在主内存中。存在线程安全问题(造成主内存与工作内存间数据存在一致性问题)。
    • 工作区域(私有线程域):主要存储当前方法的所有本地变量信息(主内存中变量的复制,也包含字节码行号指示器、相关Native方法信息)。线程中的本地变量对其他线程不可见,不存在线程安全问题。

    主内存与工作内存的数据存储类型、操作方式及与硬件的关系

    如果方法中的数据是基本数据类型,将直接存储在栈帧结构中;如果本地变量是引用类型,那么该引用会存储在工作内存的栈帧中,而对象实例还是会存在主内存(堆)中。对于实例对象的成员变量,无论类型都被存在堆中。当两个线程同时调用了一个对象的同一个方法时,两条线程都会将所涉及的数据复制一份到自己的工作内存中,操作完成后刷新到主内存中。JMM是一种抽象的概念,并不实际存在,在逻辑上分工作内存和主内存,但在物理上二者都可能在主存中也可能在Cache或者寄存器中。Java内存分区也是这个道理。

    Java线程的实现原理

    在Windows和Linux系统上,Java线程实现是基于一对一的线程模型,即通过语言级的程序(JVM)去间接地调用操作系统内核的线程模型。由于我们编写的多线程程序属于语言层面的,程序一般不会直接去调用内核线程,取而代之的是一种轻量级的进程(Light Weight Process),也是通常意义上的线程,由于每个轻量级进程都会映射到一个内核线程,因此我们可以通过轻量级进程调用内核线程,进而由操作系统内核将任务映射到各个CPU各个核心进行并发执行,这种轻量级进程与内核线程间1对1的关系就称为一对一的线程模型。

                                     

    关于其中的内核线程(Kernel-Level Thread,KLT),它是由操作系统内核(Kernel)支持的线程,这种线程是由操作系统内核来完成线程切换,内核通过操作调度器进而对线程执行调度,并将线程的任务映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身,这也就是操作系统可以同时处理多任务的原因。

    并发编程的问题

    多线程并发编程会涉及到以下的问题:

    • 原子性:指在一个操作中就是cpu不可以在中途暂停然后再调度,既不被中断操作,要不执行完成,要不就不执行。
    • 可见性:指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。
    • 有序性:程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行,多线程中为了提高性能,编译器和处理器的常常会对指令做重排(编译器优化重排、指令并行重排、内存系统重排)。

    JMM的具体实现

    JMM还提供了一系列原语(由若干条指令组成的,用于完成一定功能的一个过程),封装了底层实现。

    1. 原子性:Java提供了两个高级字节码指令monitorenter和monitorexit,对应的是关键字synchronized,使用该关键字保证方法和代码块内的操作的原子性。
    2. 可见性:Java中的volatile关键字提供了一个功能,那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存,被其修饰的变量在每次是用之前都从主内存刷新。因此,可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。

      除了volatile,Java中的synchronized和final两个关键字也可以实现可见性,只不过实现方式不同。

    3. 有序性:用volatile关键字禁止指令重排,用synchronized关键字加锁。

     

     

     

     

     

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