腾讯面试之内存管理

2023-11-07 22:54:51

内存管理：计算机系统的神经中枢

在计算机系统的复杂网络中，内存管理扮演着至关重要的角色，如同大脑中的神经中枢，负责分配和管理宝贵的内存资源，为应用程序的平稳运行提供生命线。深入了解内存管理的奥秘，将带你领略计算机运作的心脏地带。

虚拟内存：突破物理界限

虚拟内存是内存管理的一项创新技术，它打破了物理内存的束缚，允许应用程序访问比实际可用内存更大的空间。通过将应用程序的内存空间划分为固定大小的页面并将其存储在磁盘上，虚拟内存创造了一个虚拟空间，让应用程序能够自由地漫游。当需要访问一个页面时，操作系统会将其从磁盘加载到物理内存中，应用程序便可无缝地读取和写入数据。

// C++ 代码示例：
#include <iostream>

int main() {
  // 申请虚拟内存
  void* memory = malloc(100 * 1024 * 1024);

  // 加载页面到物理内存
  if (memory != nullptr) {
    // 操作数据
    std::cout << "访问虚拟内存成功" << std::endl;
  }

  // 释放虚拟内存
  free(memory);

  return 0;
}

物理内存：计算机的仓库

物理内存，也被称为主内存或 RAM，是计算机的仓库，存储着正在运行的程序和数据。它是一个有限的资源，程序在执行时需要将代码和数据加载到物理内存中。为了高效地管理物理内存，内存管理系统通过精密的算法，为应用程序分配所需的内存块，并回收不再使用的内存空间。

页表：虚拟与物理的桥梁

页表是内存管理系统中的关键组件，它充当了虚拟地址和物理地址之间的桥梁。每当应用程序访问虚拟地址时，操作系统就会在页表中查找相应的物理地址。这种转换确保应用程序能够正确访问物理内存中的数据和指令。

// 伪代码示例：
// 页表项
struct PageTableEntry {
  uint32_t physical_address;
  bool present;
};

// 页表
PageTableEntry* page_table;

// 获取物理地址
uint32_t get_physical_address(uint32_t virtual_address) {
  // 获取页表索引
  uint32_t page_index = virtual_address >> PAGE_SIZE;

  // 获取页表项
  PageTableEntry* entry = &page_table[page_index];

  // 检查页表项是否存在
  if (entry->present) {
    // 返回物理地址
    return entry->physical_address;
  } else {
    // 发生缺页错误
    return 0;
  }
}

进程隔离：应用程序的保护层

进程隔离是内存管理系统中至关重要的保障措施，它防止应用程序相互干扰。通过使用单独的页表，每个进程只能访问自己分配的内存空间，从而确保程序的稳定性和安全性。

内存分配：分而治之

内存分配是将内存空间分配给应用程序的过程。根据不同的需求，内存管理系统可以使用固定大小的内存块或可变大小的内存块。固定大小的块简单高效，但可能导致内存碎片。而可变大小的块可以最大限度地减少碎片，但开销也更大。

// C++ 代码示例：
// 固定大小的内存分配
void* fixed_size_malloc(size_t size) {
  // 分配固定大小的内存块
  void* memory = malloc(size);

  return memory;
}

// 可变大小的内存分配
void* variable_size_malloc(size_t size) {
  // 分配可变大小的内存块
  void* memory = malloc(size + sizeof(size_t));

  // 存储块的大小
  *(size_t*)memory = size;

  return (void*)((size_t*)memory + 1);
}

内存回收：释放宝贵的资源

内存回收是释放不再使用的内存空间的过程，将其返还给内存池供其他应用程序使用。回收操作涉及清除数据和更新内存管理系统的数据结构。引用计数和标记清除算法是两种常用的内存回收技术。

// C++ 代码示例：
// 引用计数内存回收
class RefCountedObject {
  int ref_count;

public:
  RefCountedObject() : ref_count(0) {}

  void retain() {
    ++ref_count;
  }

  void release() {
    --ref_count;
    if (ref_count == 0) {
      delete this;
    }
  }
};