29、深入理解内存管理与动态内存分配
深入理解内存管理与动态内存分配
1. 内存页与地址空间
在计算机系统中，内存以页为单位进行管理。对于32位系统，页大小通常为4KB；对于64位系统，页大小通常为8KB。页分为有效页和无效页，有效页与物理内存中的页或二级存储（如交换分区或磁盘文件）相关联，而无效页则未与任何内容关联，代表地址空间中未使用、未分配的部分。访问无效页会导致段错误。
地址空间不一定是连续的，虽然是线性编址，但其中包含许多不可寻址的间隙。当程序试图访问位于二级存储而非物理内存中的页时，内存管理单元（MMU）会产生页错误，此时内核会介入，将所需的页从二级存储透明地调入物理内存。由于虚拟内存通常比物理内存大得多，内核会不断地将物理内存中的页调出到二级存储，为更多的页调入腾出空间，并且会优先调出近期最不可能使用的数据，以优化性能。
2. 内存共享与写时复制
多个虚拟内存页，即使属于不同进程的不同虚拟地址空间，也可以映射到同一个物理页，这使得不同的虚拟地址空间可以共享物理内存中的数据。共享数据可以是只读的，也可以是可读可写的。
当一个进程向共享的可写页写入数据时，会出现两种情况：
- 简单情况是内核允许写入操作，此时共享该页的所有进程都能看到写入操作的结果。通常，允许多个进程对共享页进行读写操作需要一定程度的协调和同步。
- 另一种情况是，MMU可能会拦截写入操作并引发异常，内核会为写入进程透明地创建该页的新副本，并允许写入操作继续在新页上进行，这种方法称为写时复制（COW）。通过这种方式，进程可以对共享数据进行读访问，节省了空间。当进程需要写入共享页时，会立即获得该页的唯一副本，就好像该进程一直拥有自己的私有副本一样。由于写时复制是逐页进行的，一个大