我們帶著問題去探討new之后的底層原理.

• new之后的流程是什么
• 內存如何被讀寫
• 地址如何產生
• 地址如何表示

new產生的地址

1.吐槽

不得不吐槽一下蘑志，簡書的markdown真摳腳显熏，竟然沒法畫流程圖散怖。

2.各種概念

2.1.什么是虛擬內存（virtual memory）

??在我看來喷兼，虛擬內存更像是對內存的管理篮绰，請看下圖：

一個進程的虛擬內存分布

??每一個進程的虛擬地址都是從0開始，包含放置代碼區(qū)褒搔，堆阶牍，棧，和內核映射區(qū)星瘾。在這里的地址都是連續(xù)的走孽，會被分成很多虛擬頁，每一個虛擬頁為4K大小琳状，頁會映射到物理內存磕瓷，物理內存的地址不會重復，當一個進程開始執(zhí)行或者請求堆內存，會在物理內存尋找空余的物理頁（也是一頁4K大欣场）存放边翁。虛擬內存保證了每個進程的地址獨立，不會被其他進程的訪問到硕盹。
??引進虛擬內存這個概念后符匾，會使得訪問物理內存變得慢一些了，因為會有兩次尋址瘩例，先去頁表找物理地址啊胶，找到物理地址后才能去物理內存上讀取數(shù)據(jù)。虛擬內存這個概念垛贤，也算是不錯的設計吧焰坪。每個進程的地址空間都是獨立的，這使得每個進程地址都是相同的基本格式（進程虛擬地址起始為0聘惦，堆某饰，棧也是固定的起始地址），不需要知道真正的物理內存放在什么地方善绎。由于我們編寫的程序沒有權限直接訪問硬件黔漂，這其中的訪問物理內存，會從用戶態(tài)到內核態(tài)的轉換涂邀，分配好內存后再從內核態(tài)轉換為用戶態(tài)瘟仿。系統(tǒng)不信任我們這群坑貨，才如此設計的比勉，流程大概是這樣劳较，用戶態(tài)請求內存分配 -> 系統(tǒng)中斷 -> 內核態(tài)分配好內存 -> 系統(tǒng)中斷 -> 返回用戶態(tài) :

2.2.什么是虛擬頁（virtual page）

??虛擬內存由虛擬頁構成，每個虛擬頁4K大小浩聋。這一摞概念都是抽象的观蜗，在腦子里聯(lián)想吧，你可以把虛擬內存聯(lián)想成一把梯子衣洁，梯級之間的空間是虛擬頁大小墓捻。

隨手畫了一把梯子 哈哈哈

2.3.什么是物理頁（physical page）

??物理頁也被稱為頁幀（page frame），4K大小坊夫，和虛擬頁類似砖第，只不過物理頁是構成物理內存的，你把它想象成另一把梯子和梯級吧环凿。物理頁會產生內部內存碎片梧兼，但不會產生外部內存碎片，這與分段相反（還有一個種內存劃分是分段的智听，產生外部內存碎片羽杰，但不產生內部內存碎片）渡紫，這種分頁的方式，類似內存對齊考赛，關于內存對齊的理解惕澎，我寫了另外一篇文章⊙罩瑁總的來說唧喉，物理頁構成了RAM(Random Access Memory，包含主存Main Memory等)复哆。

2.4.什么是頁表（page table）

??頁表存在RAM欣喧。操作系統(tǒng)為每個進程提供一個頁表，多個進程對應多個頁表梯找。頁表的作用是干翻譯這行的，虛擬內存的地址能夠找到物理內存的地址益涧，就是通過頁表映射的锈锤，頁表保存了物理地址。

2.5.什么是快表（TLB闲询，Translation Lookaside Buffer）和cpu高速緩存

??畢竟頁表是存在RAM久免，并且比較大，查表慢扭弧，有損性能阎姥，快表就是為了解決這個問題的「肽恚快表可以看作是頁表的一個緩存呼巴，當CPU訪問某一塊物理內存后，把物理頁存到CPU高速緩存御蒲，物理地址存到TLB衣赶。每次CPU提著虛擬地址來查表，先去TLB看看能不能找到對應的物理地址厚满，如果找到了再去緩存找數(shù)據(jù)府瞄。如果在TLB找不到（稱為TLB不命中，奇葩的命名）碘箍，再去頁表查找遵馆。快表本身也存在cpu緩存中丰榴，內存占用小訪問速度快货邓。unity的ECS運行速度快的其中一個原因，ECS把數(shù)據(jù)都放在一起了多艇，當CPU訪問其中一項數(shù)據(jù)逻恐，會把4K的一個物理頁都存到CPU緩存中，下次使用鄰近的數(shù)據(jù)時候，很可能已經被存到CPU緩存中了复隆，所以訪問速度快一些拨匆。因此，我們寫代碼時候挽拂，可以考慮把數(shù)據(jù)寫在一起惭每，或者函數(shù)之間調用挨著的。

2.6.VPO亏栈，VPN台腥，PPO，PPN

• VPN ：虛擬頁號（Virtual Page Number ）绒北，一頁通常是4K黎侈，VPN表示在虛擬內存的第幾頁。
• VPO ：虛擬頁偏移（Virtual Page Offset）闷游，虛擬內存的頁內偏移峻汉，一頁中的第幾個字節(jié)。
• PPN ：物理頁號（Physical Page Number）脐往，一頁通常是4K休吠，VPN表示在物理內存的第幾頁。
• PPO ：物理頁偏移（Physical Page Offset）业簿，物理內存的頁內偏移瘤礁，一頁中的第幾個字節(jié)。

??當我們要訪問某一塊內存時候梅尤，會使用虛擬頁號（VPN）去頁表找到真實的物理頁號（PPN）柜思，通過虛擬頁偏移（VPO）找到真實的物理地址。這里的尋址克饶，為什么會與PPN酝蜒，VPO有關呢？一個物理地址矾湃，實際上是物理頁號+偏移值構成的亡脑，一個物理頁占4K大小（虛擬頁也是4K）邀跃，頁內偏移是指在這物理頁號之后位移多少字節(jié)霉咨。我們用二維數(shù)組來比喻吧 ，每一行有4K列拍屑，現(xiàn)在要找9K途戒，它在2行1K列（相當于它在2物理頁號1K頁內偏移）。請看地址計算公式僵驰，其中2^s表示一頁占用的內存大小(一般為4K)：

??為什么此處使用VPO而非PPO喷斋，其實都一樣的唁毒，頁內偏移相等，VPO=PPO星爪。

3.對整體流程的講解

??鋪墊完概念浆西，下面開始討論一下上述代碼的執(zhí)行流程。

new產生的地址

• 應用程序編譯成指令顽腾，編譯時候近零，每塊數(shù)據(jù)都有相對地址了。
• 程序開始執(zhí)行抄肖，代碼被加載到主存中久信。
• 指令被送至cpu的指令寄存器。
• cpu從指令寄存器取出指令漓摩，執(zhí)行new int（0）裙士；代碼。
• 在主存中分配好內存幌甘，并且映射到虛擬內存的堆中潮售，物理地址和虛擬地址在頁表中關聯(lián)。
• 與此同時锅风，把p所在的物理頁緩存到CPU高速緩存中，地址放進TLB鞍泉。
• int* p = new int（0）皱埠；返回p的虛擬地址。
• 讀p的值咖驮。先去TLB查看是否存在p的地址边器，如果存在，去高速緩存查看值在不在托修。
• 如果TLB不存在對應的地址忘巧，去頁表找。

??有幾點要說明的睦刃。

• 當我們要訪問p地址對應的內存時候砚嘴，操作系統(tǒng)會檢查地址是否在虛擬內存的當前進程中，操作系統(tǒng)不允許訪問其他進程的私有內存涩拙。
• 存在多級頁表际长。
• 頁表有操作系統(tǒng)維護，分配內存時填寫響應的頁表項兴泥，釋放內存清除響應的頁表項工育，程序退出釋放它的頁表。
• 有一種特殊情況搓彻，高速緩存和主存都沒有找到如绸，那么此時說明物理頁在磁盤中嘱朽。一般這種情況是爆內存了，主存不足以存放得下怔接，那么把一部分不常用的內存放進磁盤搪泳。由于磁盤讀寫比較慢的原因，導致訪問會卡頓蜕提。舉個例子森书，當我們運行一個占用內存比較大的軟件，內存占用為100%了谎势，但是軟件卻不會閃退凛膏，原因是有一部分內存被移動到磁盤上了，把磁盤當成了主存的一部分脏榆，虛擬內存會映射到磁盤的扇區(qū)地址猖毫，去磁盤讀寫時候就顯得比較慢了。本人曾經做過一個測試须喂，在unity中不斷加載資源到場景中吁断，并且引用這些資源不給GC釋放，觀察內存占用情況坞生，先是內存被占用為100%仔役，然后發(fā)現(xiàn)E盤的可用大小變得越來越小。

??老實說是己，學這些對你的代碼能力沒多大幫助又兵，僅僅只是個人想了解一下而已。

Author : SunnyDecember
Date : 2019.11.9
原文