我們知道，手機(jī)的內(nèi)存是有限的，如果應(yīng)用內(nèi)存占用過大，輕則引起卡頓，重則導(dǎo)致應(yīng)用崩潰或被系統(tǒng)強(qiáng)制殺掉，更嚴(yán)重的情況下會影響應(yīng)用的留存率。因此，內(nèi)存優(yōu)化是性能優(yōu)化中非常重要的一部分。但是，很多開發(fā)者對內(nèi)存的認(rèn)識還停留在應(yīng)用開發(fā)這一層，平時只是參考網(wǎng)上的方案，對內(nèi)存進(jìn)行比較淺顯的優(yōu)化。想要深入進(jìn)行內(nèi)存優(yōu)化，我們需要從操作系統(tǒng)的層面了解內(nèi)存是怎么管理的，又是如何被使用的。

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可能會有人疑問：“為什么做個內(nèi)存優(yōu)化需要從操作系統(tǒng)層了解內(nèi)存呢？”我們確實可以在網(wǎng)上搜到很多內(nèi)存優(yōu)化的文章，但它們都是從上層應(yīng)用出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化的，而不同的應(yīng)用因為環(huán)境不一樣、業(yè)務(wù)不一樣，很多優(yōu)化方法都不能通用。因此，只有當(dāng)我們從底層掌握了內(nèi)存的原理，從下而上地制定優(yōu)化方案，才能適用于任何業(yè)務(wù)，甚至當(dāng)我們轉(zhuǎn)型到 iOS、前端或者后端都能通用。

接下來，我們就從操作系統(tǒng)底層出發(fā)，重新認(rèn)識內(nèi)存。

我們先將目光放到操作系統(tǒng)的早期，在這個環(huán)境下，程序都是直接操作物理內(nèi)存的。比如一個程序執(zhí)行如下指令：

MOV REGISTER1,0

計算機(jī)會將位置為 0 的物理內(nèi)存中的內(nèi)容移到 REGISTER1 的寄存器中。在這種情況下，如果第二個程序在 0 的位置寫入一個新的值，就會擦掉第一個程序存放在相同位置上的所有內(nèi)容，導(dǎo)致第一個程序崩潰。

正因為應(yīng)用程序可以直接操作物理內(nèi)存，所以我們完全可以修改其他程序在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致程序崩潰或者產(chǎn)生安全問題。因此，對當(dāng)時的操作系統(tǒng)來說，同時運行多個程序很困難。

為了解決這個問題，我們自然而然會想到：不允許應(yīng)用程序直接操作物理內(nèi)存。于是虛擬內(nèi)存的技術(shù)誕生了。

為了更好地了解什么是虛擬內(nèi)存，我們先看看早期直接操作物理內(nèi)存系統(tǒng)下的內(nèi)存模型長什么樣。從下面內(nèi)存模型的簡化圖中我們可以看到，物理內(nèi)存中存在兩塊數(shù)據(jù)，一個是操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，一個是應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)。除此之外，其實還會有設(shè)備驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)，它們不是我們了解的重點就先不列上去了。

什么是虛擬內(nèi)存？

虛擬內(nèi)存技術(shù)相當(dāng)于給每個程序一個獨占且連續(xù)的內(nèi)存，比如 32 位系統(tǒng)下是 4G(2^32)，只不過這個內(nèi)存是虛擬的。同時，虛擬內(nèi)存需要能夠映射到真實的物理內(nèi)存。簡化的內(nèi)存模型如下

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-haHe4vHL-1670148923898)(https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/edd00859a2094eaa964f8ce588df1f18~tplv-k3u1fbpfcp-watermark.image?)]
從上圖的簡化內(nèi)存模型，我們可以看到，每個程序都可以獨享一塊虛擬內(nèi)存。在 Linux 系統(tǒng)上，一個進(jìn)程代表著一個程序，這里我們可以理解成每個進(jìn)程都獨享一塊虛擬內(nèi)存，這塊虛擬內(nèi)存在 32 位系統(tǒng)下是 4G(2^32)，64 位系統(tǒng)下是 2^48，即 256TB（這里不是 2^64，是因為 256TB 已經(jīng)足夠大了，如果用 2^64，會有大量的尋址空間浪費）。

其次，虛擬內(nèi)存都由應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)這兩部分組成。其中，應(yīng)用程序這部分虛擬內(nèi)存是應(yīng)用獨占的，操作系統(tǒng)這部分虛擬內(nèi)存則由所有進(jìn)程共享，而所有進(jìn)程的操作系統(tǒng)這部分虛擬內(nèi)存都指向了同一段物理內(nèi)存。虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射由操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，操作系統(tǒng)在做映射操作時會尋找可用的物理內(nèi)存，不可能出現(xiàn)覆蓋其他數(shù)據(jù)的情況，這讓同時運行多個程序成為了可能。

上圖的虛擬內(nèi)存是一個簡化的模型。實際上，虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存都是按照頁來管理和映射的，一頁的大小為 4KB，我們來看一個 32 位 Android 系統(tǒng)、物理內(nèi)存為 2G 的設(shè)備的內(nèi)存模型。

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ysAU5ah2-1670148923899)(https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/efb87e2370624ccdb09642d2018c0581~tplv-k3u1fbpfcp-watermark.image?)]

可以看到，物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存是通過 4K 大小的頁一一對應(yīng)的。這個時候，如果我們再用文章最開頭的那個指令：

MOV REGISTER1,0

在虛擬內(nèi)存技術(shù)的加持下，此時計算機(jī)就不會直接將物理地址為 0 的內(nèi)存移到 REGISTER1 寄存器了，而是先尋找虛擬地址 0 對應(yīng)的物理地址 4096，然后將物理地址為 4096 的內(nèi)容移到 REGISTER1 寄存器中

MOV REGISTER1,4096

虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址是由計算機(jī)的內(nèi)存管理單元（MMU）完成的，它屬于硬件部分而不是系統(tǒng)軟件部分，所以轉(zhuǎn)換速度很快。

虛擬內(nèi)存的內(nèi)存模型

知道了虛擬內(nèi)存由操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序兩部分組成，并且虛擬內(nèi)存都由頁來維護(hù)和管理之后，我們再深入了解一下 Linux 系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存的內(nèi)存模型，它需要和 Linux 系統(tǒng)的可執(zhí)行文件，也就是 ELF 文件一起配合來看。

為了讓你理解起來更簡單，這里的 ELF 文件格式也被我簡化了，后面用到的時候再進(jìn)行深入介紹。在 Linux 系統(tǒng)中，存放操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存區(qū)域被稱為內(nèi)核空間，剩下的存放應(yīng)用的虛擬內(nèi)存區(qū)域稱為用戶空間。 內(nèi)核空間占用了 1G，位于虛擬地址的高地址區(qū)域，而 ELF 文件的一些數(shù)據(jù)，是存放在低地址的區(qū)域（即從地址 0 開始）。下面我詳細(xì)解釋一下內(nèi)存模型中的幾個區(qū)域

1. 棧：由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。

2. 堆：動態(tài)內(nèi)存分配，可以由開發(fā)者自己分配和釋放（malloc 和 free 函數(shù)實現(xiàn)），Android 開發(fā)時不需要我們手動分配和釋放，因為虛擬機(jī)程序已經(jīng)幫我們做了。堆的開始地址由變量 start_brk 描述，堆的當(dāng)前地址由變量 brk 描述。

3. BSS：存放全局未初始化，靜態(tài)未初始化數(shù)據(jù)。

4. 數(shù)據(jù)段：存放全局初始化，靜態(tài)初始化數(shù)據(jù)。

5. 程序代碼區(qū)：存放的是 ELF 文件代碼段。

可以看到，棧內(nèi)存的分配是從上到下的，而堆內(nèi)存的分配是從下到上的，這種方式可以大程度利用虛擬內(nèi)存的空間。

虛擬內(nèi)存分配

前面我們已經(jīng)知道，應(yīng)用是沒法直接操作物理內(nèi)存的，所以我們在開發(fā) App 時分配的內(nèi)存實際都是虛擬內(nèi)存。那么我們怎么申請?zhí)摂M內(nèi)存呢？

開發(fā) Android 應(yīng)用時，并不需要我們自己去分配內(nèi)存，直接 new 一個對象，聲明一個變量或者常量即可，也不需要我們自己去做釋放，但所有的數(shù)據(jù)都需要內(nèi)存，這些都是虛擬機(jī)幫我們做。虛擬機(jī)分配申請內(nèi)存主要使用的是 malloc() 函數(shù)，它是 C 語言庫的一個標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。

void *malloc(size_t size)

malloc 函數(shù)是一個 C 語言庫的函數(shù)，所以它分配內(nèi)存最終還是得調(diào)用 Linux 系統(tǒng)提供的函數(shù)，讓 Linux 內(nèi)核去幫我們申請一塊內(nèi)存。內(nèi)核會調(diào)用 mmap() 函數(shù)，在堆中分配我們想要的內(nèi)存空間大小。 mmap() 函數(shù)是 Linux 系統(tǒng)一個很重要的函數(shù)，我們需要深刻認(rèn)識它。

void *mmap(void *addr,size_t length,int prot,int flags,int fd, off_t offset);

• 參數(shù) addr 指向欲映射的內(nèi)存起始地址，通常設(shè)為 NULL，代表讓系統(tǒng)自動選定地址，映射成功后返回該地址；

• 參數(shù) length 表示將文件中多大的部分映射到內(nèi)存；

• 參數(shù) prot 指定映射區(qū)域的讀寫權(quán)限；

• 參數(shù) flags 指定映射時的特性，如是否允許其他進(jìn)程映射這段內(nèi)存；

• 參數(shù) fd 指定映射內(nèi)存的文件描述符；

• 參數(shù) offset 指定映射位置的偏移量，一般為 0。

mmap 函數(shù)有 2 種用法：

1. 映射磁盤文件到用戶空間中；

2. 匿名映射，不映射磁盤文件，而是向映射區(qū)申請一塊內(nèi)存，此時的 fd 入?yún)?-1。

第 1 種用法可以讓我們讀文件的效率更高（比如 Android 讀取 dex 文件就是通過 mmap 來提高讀取速度），也可以用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)跨進(jìn)程傳輸（比如 Android 共享內(nèi)存機(jī)制、Binder 通信都是通過 mmap 來實現(xiàn)的）。malloc() 函數(shù)使用了 mmap 函數(shù)的第 2 種用法，即在 Heap 區(qū)域中申請一塊內(nèi)存。

需要注意的，這里申請的內(nèi)存都是虛擬內(nèi)存，并且這個時候并不會分配真正的物理內(nèi)存，只有當(dāng)我們真正要往這塊虛擬內(nèi)存區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)檢查到對應(yīng)的虛擬內(nèi)存沒有映射到物理內(nèi)存，便會發(fā)生缺頁中斷，然后分配一塊同樣大小的物理內(nèi)存，并建立映射關(guān)系。這是一種懶加載技術(shù)，也是內(nèi)存優(yōu)化的方案之一。

malloc() 函數(shù)在申請內(nèi)存小于 128k 時會使用 sbrk() 函數(shù)，sbrk() 會將堆頂指針（即前面提到的 brk）向高地址移動，獲得新的虛存空間，這些策略都是基于性能考慮的。比如 Android 虛擬機(jī)在分配大對象時，也會專門放在 LargeObjectSpcace 中，這些就不展開講了。至于 Linux 系統(tǒng)是如何發(fā)生缺頁中斷，如何分配物理內(nèi)存，如何建立映射關(guān)系的，都屬于 Linux 系統(tǒng)相關(guān)知識了，更詳細(xì)的知識點會在后面的篇章中結(jié)合實戰(zhàn)項目穿插著講解。

小結(jié)

事實上，直接操作物理內(nèi)存的操作系統(tǒng)并沒有消失，我們現(xiàn)在的嵌入式設(shè)備，如冰箱，微波爐等等都能直接操作物理內(nèi)存。這其實也符合它們的使用場景，直接操作物理內(nèi)存會讓性能開銷更小，操作也更方便。但需要同時運行多個軟件的系統(tǒng)都有虛擬內(nèi)存，可以說虛擬內(nèi)存是現(xiàn)代操作系統(tǒng)最重要的發(fā)明之一了。

當(dāng)我們重新認(rèn)識了內(nèi)存后，我們再來看內(nèi)存優(yōu)化，它其實分為兩部分。

• 一是物理內(nèi)存的優(yōu)化：也就是這個程序?qū)嶋H消耗的物理內(nèi)存。

• 二是虛擬內(nèi)存的優(yōu)化：在前面我們也知道了 32 位機(jī)只有 3G 的虛擬內(nèi)存可用，所以一個比較大的Android 程序，很容易就會出現(xiàn)虛擬內(nèi)存不足的情況（64 位系統(tǒng)就完全不用擔(dān)心這個問題）。

在后面的章節(jié)中，我會針對這兩部分，總結(jié)出體系的優(yōu)化方法論，再搭配講解一些優(yōu)化實踐。

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當(dāng)前名稱：內(nèi)存優(yōu)化之重新認(rèn)識內(nèi)存-創(chuàng)新互聯(lián)
本文鏈接：http://chinadenli.net/article14/dedgge.html

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