虛擬內(nèi)存有哪些類型?虛擬內(nèi)存有哪些好處?

虛擬內(nèi)存能幫助我們加載更多的數(shù)據(jù)到內(nèi)存當(dāng)中，在現(xiàn)今，虛擬內(nèi)存已經(jīng)是一項非常成熟的技術(shù)。為增進大家對虛擬內(nèi)存的認(rèn)識，本文將對虛擬內(nèi)存的類型、虛擬內(nèi)存的好處予以介紹。如果你對虛擬內(nèi)存具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、虛擬內(nèi)存的類型

計算機的 MMU 管理虛擬內(nèi)存操作。在大多數(shù)計算機中，MMU 硬件集成到中央處理單元 (CPU) 中。CPU 還生成虛擬地址空間。一般來說，虛擬內(nèi)存要么是分頁的，要么是分段的。

分頁將內(nèi)存劃分為多個部分或分頁文件。當(dāng)計算機用完其可用 RAM 時，未使用的頁面將使用交換文件傳輸?shù)接脖P驅(qū)動器。交換文件是硬盤驅(qū)動器上留出的空間，用作計算機 RAM 的虛擬內(nèi)存擴展。當(dāng)需要交換文件時，它會使用稱為頁面交換的過程發(fā)送回 RAM。該系統(tǒng)確保計算機的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序不會耗盡實內(nèi)存。頁面文件的最大大小可以是計算機物理內(nèi)存的 1 ? 到四倍。

虛擬內(nèi)存分頁過程使用頁表，將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序使用的虛擬地址轉(zhuǎn)換為 MMU 使用的物理地址。頁表中的條目指示該頁是否在 RAM 中。如果操作系統(tǒng)或程序在 RAM 中找不到所需的內(nèi)容，則 MMU 會通過頁面錯誤異常來響應(yīng)丟失的內(nèi)存引用，以使操作系統(tǒng)在需要時將頁面移回內(nèi)存。一旦頁面進入 RAM，其虛擬地址就會出現(xiàn)在頁表中。

分段還用于管理虛擬內(nèi)存。這種方法將虛擬內(nèi)存劃分為不同長度的段。內(nèi)存中未使用的段可以移動到硬盤驅(qū)動器上的虛擬內(nèi)存空間。分段信息或進程在段表中進行跟蹤，該表顯示內(nèi)存中是否存在段、是否已被修改以及其物理地址是什么。此外，分段中的文件系統(tǒng)僅由映射到進程的潛在地址空間的段組成。

分段和分頁作為內(nèi)存模型的不同之處在于內(nèi)存的劃分方式;然而，這些過程也可以組合。在這種情況下，內(nèi)存被分為幀或頁。段占用多個頁，虛擬地址包括段號和頁號。

其他頁面替換方法包括先進先出(FIFO)、最優(yōu)算法和最近最少使用( LRU )頁面替換。FIFO 方法讓內(nèi)存選擇替換在虛擬地址中停留時間最長的頁面。最優(yōu)算法方法根據(jù)最長時間后不太可能被替換的頁面來選擇頁面替換;盡管實現(xiàn)起來很困難，但這會減少頁面錯誤。LRU頁面替換方法替換主存中最長時間未被使用的頁面。

二、虛擬內(nèi)存好處

1、進程間共享物理內(nèi)存

在開發(fā)過程中，我們常遇到不同程序需要打開同一文件的情況，例如同時用 node app.js 運行程序，又用 VSCode 編輯 app.js。這時，操作系統(tǒng)只需加載一次 app.js，并將兩個進程中對 app.js 的虛擬地址映射到相同的物理內(nèi)存區(qū)域，實現(xiàn)資源共享。

除了文件之外，很多程序會共同使用一些常用的動態(tài)鏈接庫，如 Mac 系統(tǒng)下的 ls、cat 等命令都需要 libSystem.B.dylib。系統(tǒng)會在內(nèi)存充足的情況下持續(xù)保留這類常用庫在內(nèi)存中，方便后續(xù)進程快速地調(diào)用。

2、按需加載

在有虛擬內(nèi)存之前，要執(zhí)行一個程序往往需要把整個程序加載進內(nèi)存。

但仔細想一想， 每個程序都有很多地方根本不太會被執(zhí)行到 ：比如說有些代碼的功能是在程序崩潰之時把 stack trace 印出來、有些則是在服務(wù)異常時發(fā)送 slack 通知給開發(fā)人員。 如果這些例外狀況極少發(fā)生，那把整個程序都加載內(nèi)存內(nèi)顯然不是個好主意。

系統(tǒng)只會把當(dāng)前馬上要用到的部分加載至物理內(nèi)存，而那些不太可能被執(zhí)行到的部分(比如異常處理函數(shù)或極少使用的代碼)則暫時不用加載。這種按需加載的方式被稱為懶加載，可減少程序啟動等待時間，并避免少數(shù)大型程序占用大量內(nèi)存。

3、交換(Swapping)

當(dāng)所需內(nèi)存過大以至于物理內(nèi)存不足時，系統(tǒng)會采取交換機制，即將曾經(jīng)使用過但短期內(nèi)可能不再需要的內(nèi)存內(nèi)容臨時移出到硬盤上。例如，程序啟動初期執(zhí)行過的init()函數(shù)或偶爾才調(diào)用的error_handler()函數(shù)，在內(nèi)存緊張時會被換出到硬盤，需要時再載入。

比如說程序剛啟動時要跑的 init() 、偶爾才跑一次的 error_handler() ， 他們都曾經(jīng)被執(zhí)行過所以一定有被加載內(nèi)存 。但如果可用的內(nèi)存快沒了，系統(tǒng)就會把他們 swap 出去(沒用的東西都給我滾)，哪天需要時再從硬盤拿回來就好

有了 swapping 機制后雖然可以增進內(nèi)存的使用效率，而且內(nèi)存絕對不會不夠用(說穿了就是拿硬盤當(dāng)擴充內(nèi)存)，雖然交換機制可以有效擴大內(nèi)存利用率，但如果頻繁進行交換操作，由于硬盤速度遠低于內(nèi)存，會導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能顯著降低。

那怎么知道系統(tǒng)用了多少 Swap 呢?看 htop 就可以了。我的 htop 打開后會看到 Swp 是 0/1023MB，意思是系統(tǒng)沒有把任何內(nèi)存 swap 到硬盤上(因為我的 Mem 還夠用)，但如果需要的話最多可以把 1023MB 的內(nèi)存 swap 出去，等需要時再拿回來就好

如果沒有裝 htop 的話，top 最上面也有 swap in 跟 swap out 可以看目前用了多少 swap 哦～

那知道 Swap 使用量可以做什么呢?剛剛有提到說頻繁的做 swapping 會導(dǎo)致性能變差，因此如果常常覺得電腦、主機慢到炸裂，開個瀏覽器一分鐘才跳出來，而且剛好 Swap 的使用量又很高，那就很有可能是內(nèi)存不足，快幫你的機器升級吧～

以上便是此次帶來的虛擬內(nèi)存相關(guān)內(nèi)容，通過本文，希望大家對虛擬內(nèi)存已經(jīng)具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，將于后期帶來更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!