3 内存分页

既然问题原因是：

• 内存碎片
• 内存交换的空间太大

则解决方案自然就是想着：

• 怎么少出现内存碎片
• 当需内存交换时，让需交换写入或从磁盘装载的数据更少一点

于是内存管理给出了 内存分页（Paging） 方案。

和分段这样分配一整段连续的空间给到程序相比，分页是把整个物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。而对应程序所需占用的虚拟内存空间，也会切成一段段固定尺寸的大小。

这一个个连续&&尺寸固定的内存空间，叫页（Page）。

从虚拟内存 =》物理内存的映射，不再是拿整段连续的内存的物理地址，而是按一个个页，一般来说：

页 的 尺 寸 < < 整 个 程 序 的 大 小 页的尺寸 << 整个程序的大小页的尺寸<<整个程序的大小

Linux下，通常设置成4KB，可查看：

• Linux设置的页大小

• macOS 的内存页大小

由于内存空间都是预先划分好的，也就没有不能使用的碎片，而只有被释放出来的很多4K的页。

即使内存空间不够，需要让现有的、正在运行的其他程序通过内存交换释放出一些内存页出来，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或几个页，不会花太多时间，让整个机器被内存交换的过程给卡住。

分页的方式使得加载程序的时候，不再需要一次性把程序加载到物理内存中。

可在进行虚拟内存、物理内存页之间的映射后，并不真的把页加载到物理内存，而是只在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存。

os也就是这么做的，当要读取特定的页，却发现数据并未加载到物理内存，就会触发来自CPU的缺页错误（Page Fault）。

os会捕捉到这个错误，然后将对应页，从存放在硬盘上的虚拟内存读出，加载到物理内存。

这使得可以运行那些远大于我们实际物理内存的程序。同时，任何程序都无需一次性加载完所有指令和数据，只需加载当前所需的。

通过虚拟内存、内存交换和内存分页技术组合，最终得到了一个让程序无需考虑实际物理内存地址、大小和当前分配空间的解决方案。

这些技术和方法，对于我们程序的编写、编译和链接过程都是透明的。这也是我们在计算机的软硬件开发中常用的一种方法，就是加入一个间接层。

通过引入虚拟内存、页映射和内存交换，程序不再需考虑对应真实内存地址、程序加载、内存管理等问题。

任一程序只需把内存当成是一块完整而连续的空间来直接使用即可，其它都是 os 保姆帮你做好的。

4 总结

在虚拟内存、内存交换和内存分页这三者结合之下，要运行一个程序，“必需”的内存是很少的。CPU只需要执行当前的指令，极限情况下，内存也只需要加载一页就好了。

再大程序，也可分成一页。每次，只在需要用到对应的数据和指令的时候，从硬盘上交换到内存里面来就好了。

以现在4K内存一页的大小，640K内存也能放下足足160页呢，也无怪乎在比尔·盖茨会说出“640K ought to be enough for anyone”。

不过硬盘的访问速度比内存慢很多，所以我们现在的计算机没有几G内存都不好意思卖。

除了程序分页装载这种方式之外，还有其他优化内存使用的方式：“动态装载”，请见后文分解。

FAQ

在Java这样使用虚拟机的编程语言里，程序是怎么装载到内存里的？也和本文一样，通过内存分页和内存交换的方式加载到内存里面来的么？

JVM已是上层应用，无需考虑物理分页，一般更直接是考虑对象本身空间大小，物理硬件管理统一由承载JVM的os解决。

参考

• 深入浅出计算机组成原理
• 《程序员的自我修养——链接、装载和库》的第1章和第6章