从计算机内存结构到iOS

一、冯.诺伊曼结构

当前计算机都是冯.诺伊曼结构（Von Neumann architecture），是指存储器存放程序的指令以及数据，在程序运行时根据需要提供给CPU使用。

冯.诺伊曼瓶颈

在目前的科技水平之下，CPU与存储器之间的读写速率远远小于CPU的工作效率，造成了CPU性能的浪费。当前解决方式是采用多级存储，来平衡存储器的读写速率、容量、价格。
存储器主要分为两类：易失性存储器速度更快，断电后数据会丢失；非易失性存储器容量更大、价格更低，断电也不会丢失数据。随机访问存储器RAM也分为两类，其中SRAM速度更快，所以用作高速缓存，DRAM用作主存。只读存储器ROM实际上只有最开始的时候是只读的，后来随着发展也能够进行读写了，只是沿用了之前的名字。
局部性原理（Principle of locality）：被使用过的存储器内容可能会在未来多次使用，以及它附近的内容也大概率被使用。当我们把这些内容放在高速缓存中，那么就可以在部分情况下节约访问存储器的时间。

二、CPU寻址

物理地址

内存可以被看作是一个数组，数组元素是一个字节大小的空间，而数组索引则是所谓的物理地址（Physical Address）。CPU直接通过物理地址去访问对应的内存叫做物理寻址。物理寻址拓展了分段机制，通过在CPU中增加段寄存器，将物理地址变成了“段地址”：“段内偏移量”的形式，增加了物理寻址的寻址范围。

虚拟寻址

CPU通过访问虚拟地址（Virtual Address），经过翻译获得物理地址，才能访问内存。这个翻译过程由CPU中的内存管理单元（Memory Management Unit）MMU完成。

虚拟内存

对于每个进程来说，操作系统可以为其提供一个独立的、私有的、连续的地址空间，这就是所谓的虚拟内存。它保护了进程的地址空间，使得进程之间不能够越权进行互相地干扰。对于每个进程来说，操作系统通过虚拟内存进行“欺骗”，进程只能够操作被分配的虚拟内存的部分。与此同时，进程可见的虚拟内存是一个连续的地址空间，方便了程序员对内存进行管理。
虚拟内存可以映射到物理内存以及硬盘的任何区域。由于硬盘读写速度不如内存快，所以操作系统会优先使用物理内存，当物理内存空间不足时，就会将部分内存数据交换到硬盘上去存储，这就是所谓的Swap内存交换机制。相比于物理寻址，虚拟寻址利用了硬盘空间拓展了内存空间。
虚拟内存保护了每个进程的地址空间、简化了内存管理、利用硬盘空间拓展了内存空间。

内存分页

虚拟内存和物理内存建立了映射关系，为了方便映射和管理，虚拟内存和物理内存都被分割成相同大小的单位，物理内存的最小单位被称为帧（Frame），虚拟内存的最小单位被称为页（Page）。
支持了物理内存的离散使用，虚拟内存对应的物理内存可以任意存放，方便了操作系统对物理内存的管理，能够最大化利用物理内存。

三、iOS内存机制

使用虚拟内存机制，内存有限，单应用可用内存大。
iOS系统给每个进程分配的虚拟内存足够大，移动设备通常使用的大容量存储器是闪存（Flash），读写速度远远小于电脑的硬盘，所以iOS不支持内存交换机制。
内存警告：当内存不够用时，iOS的处理是会发出内存警告，告知进程去清理自己的内存didReceiveMemoryWarning。
OOM崩溃：如果进程发生了内存警告并清理了之后，物理内存还是不够就会发生Out of Memory Crash。
iOS是一个从BSD衍生而来的系统，其内核是Mach。其中内存警告以及OOM崩溃的处理机制就是Jetsam机制，也被称为Memorystatus。Jetsam会始终监控内存整体使用情况，当内存不足时会根据优先级、内存占用大小杀掉一些进程，并记录成JetsamEvent。
内核会调起一个内核优先级最高的线程：
维护两个列表，一个是基于优先级的进程列表，另一个是每个进程消耗的内存页的列表。与此同时，它会监听内核pageout线程对整体内存使用情况的通知，在内存告警时向每个进程转发内存警告didReceiveMemoryWarning；杀掉进程触发OOM主要是通过memorystatus_kill_on_VM_page_shortage，有同步和异步两种方式，同步会立刻杀掉进程，先根据优先级杀掉低优先级的进程，同一优先级根据内存大小杀掉内存占用大的进程；异步只会标记当前进程，通过专门的内存管理线程去杀死。

iOS系统的内存占用（Memory Footprint）

内存分页分为clean memory、dirty memory，iOS还有compressed memory。
clean memory在iOS中是定义为可被重新创建的内存，所有不属于clean memory的内存都是dirty memory，dirty memory不能被重新创建，所有会始终占据物理内存，直到物理内存不够用之后，系统便会开始清理。当物理内存不够用时，iOS会将部分物理内存压缩，需要读写时再解压，已达到节约内存的目的，压缩后的内存就是compressed memory。
NSCache相对于NSDictionary不仅线程安全，而且对存在compressed memory情况下的内存警告做了优化，可以由系统自动释放内存。

进程内部的内存管理

代码区、常量区、静态区由系统自动加载，在进程结束之后被系统释放。
栈区一般存放局部变量、临时变量，由编译器自动分配和释放，每个线程对应一个栈。
堆区用于动态内存的申请，由程序员控制和释放。
栈区由系统托管，速度更快，但是使用不如堆区灵活。