电脑怎么看多大内存

1 内存条、总线与DMA

计算机组成中内存或者叫主存是非常重要的部件。内存因为地位太重要，所以和CPU直接相连，通过数据总线进行数据传输，并通过地址总线来进行物理地址的寻址。

除了数据总线、地址总线还有控制总线、IO总线等。IO总线是用来连接各种外设的，例如USB全称就是通用串行总线。再比如PCIE是目前最常见的IO总线之一。这里放一张B站硬件茶谈的一张图。

图1-1 硬件图

图中CPU和左侧内存条直接连，并通过PCIE总线与下方的PCIE插槽连接，在PCIE插槽上可以插显卡，网卡，声卡，硬盘等等。PCIE带宽是共享的，如果某个设备用了x1路带宽，则能用的就少一路，因为本质上每一路都是串行的。南桥和CPU之间也有PCIE通道，主要是提供给一些带宽占用很低的外设。

南桥芯片位于主板上，一般在右下角，有个被动散热下面压着。南桥中有个很重要的设备就是DMA控制器，或者叫DMAC。DMA直接内存访问，意思就是DMAC能够直接访问内存。即一般进行IO的时候，cpu会把总线完全交给DMAC（DMAC和CPU会分时掌控总线），DMAC访问设备如磁盘，将数据读到内存中，因为此时接管了总线，所以可以写内存。在这个过程中CPU可以进行其他的任务。这也是异步IO、非阻塞IO等理论的基础。

计算机常考题：

图1-2-1 题目1

图1-2-2 题目2

2 操作系统内存管理与分类2.1 虚拟内存（逻辑内存）

win32程序从程序上能操作的逻辑地址空间有4G这么大（虽然实际可能用不了那么多），4G的逻辑地址需要全部映射到物理内存上。映射的最小单位如果是字节的话，映射表将会非常大，且效率低下。提出page概念，即最小的映射单位是一个page，一页一般是4K这样的大小，我的机器是这样的，所以下面程序demo中页大小都是4K。

显然逻辑空间可能比实际要大，但是只要程序没有用那么多内存，就不需要去映射那么多page，且就算用了那么多内存，也可以映射到磁盘上。

逻辑页是抽象的，需要映射到物理的页上，才能完成对内存的操作。我们把逻辑页叫页（page）物理页叫帧（page frame）。页号-帧号的映射表叫页表（page table）。

图2-1 页表映射

因为每个程序看到的逻辑地址空间都很大，所以程序变多了之后，程序使用的内存大于了物理内存，此时一般通过将部分"不着急使用"的页映射到磁盘的方式来解决。所以页表中映射项可能是磁盘。

图2-2 页表映射

同时每个进程都有自己的专属页表，如下：

图2-3 多进程的页表

一种实际情况，4G逻辑地址有32bit地址空间，假设pageSize=4K偏移量占12bit，因而页表的逻辑页号有20bit。再假设实际内存条只有256M 28bit地址空间 12bit偏移量 16bit页号。

逻辑地址0x 00001 1a3，去映射的时候00001就是逻辑页号，去查页表发现映射到真实页帧号00f3，然后偏移量不变还是1a3，最终就找到这个物理内存内容了。

图2-4 页表的映射过程

这个过程中，可能会出现映射的帧号是disk，即映射到了磁盘上。此时会触发缺页异常，进入内核态，内核从磁盘中读取缺的这页内容，将其加载到物理内存中。但是物理内存的帧有可能所有帧都满了，此时就需要逐出不太"重要"的帧。

逐出的过程需要判断当前物理页(帧)是否是脏的（脏：与磁盘中内容不一致，即从磁盘加载到物理内存后被改过就是脏的），如果是脏的还需要更新磁盘中的内容保证一致。

逐出后就腾出了位置给从磁盘中读到的这页的数据，然后需要更新页表的这一项的映射关系，将磁盘改为帧号，然后重新进行查页表这一步。

逻辑层的作用：极大的降低了内存碎片；借助磁盘可以实现"无限的内存"；各个进程间内存的安全性等。

一个地址中“住”的是一字节(8bit)的数据。

2.2 快表TLB、多级页表

上面提到了逻辑-物理页的映射，这就是页表，但是上面的页表其实除了简单的页号映射，还存储了其他一些属性：是否有效，读写权限，修改位，访问位（淘汰算法和TLB中用），是否是脏（被修改过就是脏的，因为他和硬盘上的数据不一致），是否允许被高速缓存等等。

页表存于主存中，每个进程都有自己的页表。

上面可以看到基于页表的寻址，需要两次访问主存（页表是存在主存的），效率低下。为了提高速度，引入了快表，快表是页表项的缓存，将最近一次的映射项存入快表，因为空间有限所以需要逐出最老的那一项。快表的设计是基于经验：程序经常访问的page一般就那几个，不会经常频繁的更换特别多的页。

快表可能存于硬件MMU中（也可能是软件TLB），一般只有8-256条，每个进程都有自己的快表。

另一个值得讨论的话题是页表占用空间太大，上面例子中（32位程序256M机器pageSize4K）页号有20bit即2百万个，所以需要有1百万条，每条大小如果只算逻辑页号(20bit)和物理页号(16bit)的话：

36bit * 2^20 = 4.5MB

如果有64个这样的程序在运行...后果可想而知。

一种很好的解决方法是多级页表，第一级页表用于寻找第二级页表的编号。的单级映射可以改成和两级映射。此时占用内存为

20bit * 2^10 + 16bit * 2^20 = 2M2.3 分段

严格意义的分段是，每一段的虚拟地址都是从0开始。然后页表是段号+页号来映射帧号的。但是这种形式已经被废弃了，只有x86 32位的intel的cpu还保留了这种段页结合的方式，即严格意义的分段已经用的很少。

那为什么还经常听到段的概念？现在所说的段一般是程序在逻辑层面保留的概念，对逻辑地址有个粗略的划分，便于程序编写，但是并不影响os的内存管理（还是分页管理）。

以32位程序为例，在逻辑空间中最高的0xc0000000 - 0xffffffff这1G的内存是给内核留出的，这部分是所有进程共享的。剩余3G内存从低到高分别是Text、Data、Heap、Lib、Stack。64位程序则远大于这里的值。

Heap是从低往高增长，Stack是从高往低增长，且有个最大限制。Data存储静态变量Text存储程序二进制码，Lib存储库函数需要占用的内存，多个程序如果都使用了相同的库，内存是共用的（共享内存）。各个部分的留有随机的一段偏移量，可以保护程序，这也使得每次重新执行程序的时候变量所在的内存地址总是不同的。

图2-5 32位系统下内存地址的组成

分段是逻辑空间上的，不影响分页的内存管理方式，后面进行分页，映射到物理内存上各部分跨多个页其实并不连续。

2.4 cache

cpu的三级缓存扮演着缓存主存数据的作用，而cache在内存管理中的位置是怎样的呢？

PIPT，物理级cache，cpu分析完映射关系，先到cache找有没有该物理地址的cache。这样会非常的慢，但是所有进程可以共享cache。

VIVT，逻辑级cache，cpu直接通过逻辑地址找cache，miss后再查TLB页表这些。这样很快，但是逻辑地址只能对当期进程使用，其他进程完全不能复用，尤其是库函数这种共享的不能利用好cache。

VIPT，将两者结合，用逻辑地址查找cache，cache中数据部分前面添加一个对应物理地址的tag。这样拿到这个tag后到tlb、页表中查看下这个对应关系是否正确，如果正确就直接读cache。这样速度和共享性都是折中的。

以上三种方式各有优劣，在不同的cpu中可能使用的不一样。

2.5 内存地址大小

很多人想当然的会认为32位系统的虚拟地址是32位，这是没错的，但是64位系统下真正的可用的虚拟地址却不到64位。

#include int main(){int x = 10;printf("%p",&x)}

图2-6 C语言打印地址

明显看到是48位，虽然这个指针大小是8byte，但是只有48bit是有效的地址位，前面是多个0。通过cat /proc/cpuinfo最后几行能看到物理地址和虚拟地址的大小，这主要是cpu单方面定制的，我的这台机器是13年买的intel 酷睿i5 3230的CPU。当然我的系统内存只有2G，其实物理地址不会有43位，只是cpu最多支持43位物理地址。

图2-7 cpuinfo中的虚拟地址和物理地址

小细节：栈是仅次于内核的高位地址，参考图2-5. 所以看到前面这个地址基本能推算出分给内核的虚拟空间应该是0xffff ffff ffff - 0x8000 0000 0000。

2.6 内存分类

在生活中我们经常看到各种内存的种类，比如在linux调用free -h的时候可以看到图2-6的分类。

在linux中通过free -h可以看到当前系统的内存情况:

图2-8 free指令下的内存分类

mem是物理内存，swap是交换分区，是用来将内存暂时放到磁盘上的。

total总内存大小，used用户使用的内存大小，free空闲的内存大小，shared共享内存大小，buff/cache文件缓存大小，available可用内存大小是free和buff/cache加起来。

total = used（含shared） + free+ buff/cache

这里需要理解buff/cache，他们在老一些的内核中是分开显示的分别是buffer cache和page cache，都是对磁盘的缓存。其中buffer cache是硬件层面，对磁盘块中的数据进行缓存，缓存的单位当然也是块。而page cache是文件系统层面，对文件进行缓存，缓存单位就是页。buffer cache的提出非常的早，两者并存时会遇到重复缓存了相同的内容的情况。

较新的内核已经将两者合并，或者说将buffer cache合到了page cache。虽然也还是能缓存磁盘块，但是存储单位也是页了。并且buffer使用前会先检查page cahce是否已经缓存了对应内容，如果是则直接指过去。在机器维度查看内存的时候也能发现BufferCache都是0，因为都合到了pageCache，有Buffer的都是很老的内核的机器。

buff/cache占用大，会不会影响后续程序申请内存？

不会，一旦用户程序需要申请内存，buff/cache就会释放掉一部分。换句话说buff/cache是在内存比较空闲的时候，尽量利用一下来加速文件读写的。如果有大哥需要用内存，是会拱手让出的。

如果想进一步了解两者的演化，这篇文章从内核源码的角度展示了，几个理成本版本下buff cache 和 page cache的变化。

在windows任务管理器中又可以看到下图的几种状态的内存叫法，而在Jprofile查看jvm内存的时候也有图2-8的一些叫法。

图2-9 windows任务管理器内存分类

图2-10 jprofile内存分类

已提交的意思是已经向操作系统申请了这么多的内存，操作系统可以已经给了这么多内存了，但是也可能没有给那么多。贴一张微软自己的解释如图

图2-11 几种内存的解释

提交的内存因为是虚拟内存，并不一定系统会立刻给这么多，所以可能提交远超过物理内存上限的大小。我之前看过一个视频，小哥用malloc申请了130000+GB的内存程序才退出，而如果在malloc后给申请的地址填写值，事情就不那么顺利了。感兴趣可以去看下这个视频。当然不了解C语言也没关系我在本文后半段会用java的Unsafe同样申请超过物理上限的内存大小做demo。

3 内存相关的系统调用3.1 内核态和用户态

内核态、用户态、内核空间、用户空间，是经常说起的概念。因为操作系统不允许用户直接操作硬件，所以需要用户程序通知内核，内核帮你下达指令给硬件。在进行读文件的时候，就需要用到磁盘这个设备，所以需要进入内核态，将文件内容读到内核buffer，然后拷贝到用户buffer并从内核态切换为用户态，程序才能真正拿到数据。

用户态进内核态，一般有三种触发条件，中断、异常和系统调用，中断和异常有时候界限比较模糊，例如缺页中断也有地方叫缺页异常。这里我们引出了系统调用，大多数需要主动操作或读写硬件的都是通过系统调用。例如读写文件的open/read/write是系统调用，网络传输常见的ｓｅｌｅｃｔ/poll/epoll也是系统调用，申请内存的malloc底层也是通过brk或mmap这俩系统调用实现的。

系统调用伴随了很多设计的优化，例如通过epoll等系统调用实现的IO多路复用提高了网络包的处理效率，mmap、sendfile等系统调用实现的零拷贝，减少了用户空间和内核空间之间的数据拷贝和上下文切换次数等等。在java的NIO中有大量的函数是直接封装了系统调用。

3.2 brk

malloc小于128K（阈值可修改）的内存时，用的是brk申请内存。C语言中sbrk(可函数)是brk(系统调用)的简单封装，下面代码打印的值可以看出first因为申请了0大小，所以和second指针位置相同。而third则表示的是second的尾部地址。可以看到虚拟地址是连续分配的，brk其实就是向上扩展heap的上界，配合查看图2-5。

#include #include int main(){void *first = sbrk(0);void *second = sbrk(1);void *third = sbrk(0);printf("%p\n",first);printf("%p\n",second);printf("%p\n",third);}

图3-1 brk代码输出

如果此时在 third+1地址处去初始化一个int值，是可以成功的，并不报错。

#include #include int main(){void *first = sbrk(0);void *second = sbrk(1);void *third = sbrk(0);int *p = (int *)third+1;*p = 1;}

这是因为页大小是4K，sbrk(1)其实也是申请一页，所以third+1位置也是安全的。如果我们将second这行改为4096，那就是另一个故事了,会触发段错误。

void *second = sbrk(4096);

图3-2 brk代码输出2

3.3 mmap

malloc大于128K的内存时，用的是mmap。

// addr传NULL则不关心起始地址，关心地址的话应传个4k的倍数，不然也会归到4k倍数的起始地址。void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);//释放内存munmapint munmap(void *addr, size_t length);

mmap用法有两种，一种是将文件映射到内存，另一种空文件映射，也就是把fd传入-1，就会从映射区申请到一块内存。malloc就是调用的第二种实现。

#include #include #include int main(){int* a =(int *) mmap(NULL, 100 * 4096, PROT_READ| PROT_WRITE, MAP_PRIVATE| MAP_ANONYMOUS, -1, 0);int* b =a;for(int i=0;i