本節是操作系統系列教程的第三篇文章，屬于操作系統第一章即基礎篇，在真正開始操作系統相關章節前在這一部分回顧一些重要的主題，以下是目錄，由于本文篇幅較多因此按上篇、中篇、下篇三次發布，目錄中黑體為本篇內容，本文為該主題最后一篇。

什么是內存

C/C++內存模型

堆區與棧區的本質

Java、Python等內存模型

Java內存模型

Jave中的堆區與棧區是如何實現的

Python內存模型

指針與引用

**進程的內存模型

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**幻想大師-操作系統

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總結

指針與引用

在各種編程語言中我們應該經常聽到兩個詞，那就是引用或者指針。這兩個詞都是和內存相關的，指針和引用的作用都是“如何找到存放在內存上的數據”。

C/C++中有“指針”這樣一個概念，而其它語言比如Java、Python有的只是“引用”這樣一個概念。這兩者有什么區別呢？我們打個比方你就能理解了。

“引用”就好比一個人的外號一樣，就好有個程序員叫令狐沖，但是令狐沖同學在A公司的英文名可能是“Tom”，在B公司中可能又叫“Jerry”，那么在A公司中你只需要喊一聲“Tom”就能找到令狐沖同學。

而“指針”強調的是位置，比如令狐沖在A公司的工位是“10排第二個”，在B公司中的工位是“8排第六個”，下班后回的位置在“中關村”。

這個例子當中的令狐沖同學就好比程序語言中的對象，令狐沖的各種外號就好比對象的引用，令狐沖當前所在的位置就好比對象的指針。

雖然通過“引用”和“指針”都能找到令狐沖同學，但是尋找的方式是不一樣的。

只有C/C++這樣的編譯型語言才會有“指針”這樣一個概念，指的是當前的對象放在了內存中的哪個位置上了。在比如Java、Python等語言中只有“引用”這樣一個概念。

在C/C++語言中，我們可以通過指針直接找到一個對象，因為你知道這個對象就在內存中指針所指向的位置，但在Java、Python等語言中，當你利用引用找到對象時基本上是沖著解釋器喊一句“Hey，解釋器，幫我找到令狐沖這個對象”，解釋器通過記錄查找到這個對象，注意解釋器是知道對象在內存中的真正位置的，由于直接管理內存是一項非常繁瑣容易出錯的事情(C/C++程序員一定對此有深刻體會)，因此解釋器就接手了對內存直接管理， Java、Python等程序員是沒有必要知道對象在內存中的真正位置的 ，沒有指針也可以開心的寫程序而且程序更加健壯，何樂不為呢，因此這些語言中是沒有指針這樣一個概念。

Sun的一篇論文中提到了為什么Java里沒有指針。

Most studies agree that pointers are one of the primary features that enable programmers to inject bugs into their code. Given that structures are gone, and arrays and strings are objects, the need for pointers to these constructs goes away. Thus, Java has no pointer data types. ...

You no longer have dangling pointers and trashing of memory because of incorrect pointers, because there are no pointers in Java.

大意是Java設計者認為指針太有技巧性以至于很容易出錯，因此Java中沒有指針。其實不只是Java，流行的語言當中除了C/C++之外幾乎都沒有指針。

在這一節中，你只需要理解以下兩點就可以啦。

• 指針：直接在內存中找到變量所在位置。所以指針是實實在在的內存地址。
• 引用：告訴解釋器你想使用的變量，然后解釋器再去內存中找到變量的位置。所以引用只是解釋器的一個 承諾 ，只要這個變量存在，解釋器就承諾能找到這個變量，程序員就可以使用這個變量，至于這個變量在內存中的什么地方是不需要程序員關心的。

進程的內存模型

我們已經在前面幾個小節中研究了C/C++以及Java、Python程序的內存模型，接下來讓我們回到操作系統。

我們已經知道了，不管什么語言，最后操作系統看到的都是C程序，C程序在內存運行起來就是進程。而在前面的小節當中我們已經知道進程在內存中的樣子，但那里的描述其實是不完整的，也是不準確的。接下里我們就來看一下，操作系統中的進程在內存中到底是什么樣子的，如下圖所示(注意這幅圖描述的是32位操作系統下進程在內存中是什么樣子的)，我們需要注意以下幾點：

1. 在上圖中多出了一塊內存，注意，這塊內存就是操作系統在運行的時候所占用的內存。
2. 每個進程獨占一個連續的4G大小的內存，從內存地址0開始，一直到0xffffffff，其中最上方的1G留給了操作系統使用，下方的3G是留給進程自己使用的，其中程序員可以操作的區域就是圖中的堆區和棧區。
3. 你會發現代碼段下方也有一點空隙沒有使用，其實這是有特殊目的的，具體用途會在后面的章節中講解。

現在你已經知道了進程在內存中的樣子，你一定會有疑問吧，

為什么每個進程認為自己占用的是4G內存呢？ 如果我的PC上只有2G內存，進程還是認為自己擁有4G內存嗎 ？

操作系統上不是可以同時運行很多進程嗎，內存是有限的，假如只有2G， 每個進程都認為自己擁有4G內存，這不會有問題嗎 ？

我們首先來回答第一個問題：是的，每個進程都認為計算機上的真實內存就是4G，而且是進程自己獨占的，即使真正的物理內存只有256MB。

第二個問題：很顯然，不管你現在看這篇文章用的電腦，iPad，安卓手機還是iPhone，這些計算設備中的進程都是這么認為的，你能看到這篇文章說明進程認為自己擁有4G內存是不會出現問題的。

在這里需要再次強調的是：

每個進程都認為真實的內存就是4G，其中1G被操作系統使用，剩余部分被進程使用，也就是可以被程序員使用。 注意這是不受真實物理內存限制的 ，也就是說，即使真實的物理只有256MB，進程同樣認為在內存是4G，其中1G是操作系統的，剩余3G是進程自己獨占的，程序員依然可以按照內存大小是3G來寫程序。所以在大小256MB的真實物理內存上，程序員依然可以一次性申請超過256MB的內存而且可以申請成功，后續內存的使用也不受影響。

就像我第一次知道這種魔法時一樣，你肯定也會驚呼這怎么可能呢？ 我們怎么能在256MB大小的內存上申請超過256MB的內存呢 ？但事實就是如此，你可以在物理內存大小為256MB的內存上面申請超過256MB的內存，而且無論物理內存大小，每個進程都認為自己擁有4G內存，而且是獨占內存。

這真的是太神奇了，這就是本課程的主角-操作系統帶來的神奇魔法。

幻象大師——操作系統

這種魔法確實是真實的，這個魔法就來自我們的幻象大師- 操作系統 ，其實進程看到的內存是操作系統制造的幻覺。操作系統讓每個進程都認為內存就只有兩部分，一部分是操作系統的一部分是自己的，這種魔法就稱之為虛擬內存。后面的章節中會重點介紹操作系統是如何實現這種魔法的。

在虛擬內存上程序員分配內存不受真實物理內存大小的限制 。

但這僅僅是進程自己這么認為，這是操作系統給進程制造的幻覺，所以被稱之為虛擬內存。虛擬內存是操作系統中極為重要的概念，和進程一樣，對虛擬內存的深刻理解也是編程高手的標志之一。我會在后續文章中來為大家透徹講解操作系統是如何做到的。

總結

哈哈，這真是比較長的一節，希望你能堅持學到這里，沒辦法，內存真的是非常重要的， 要想學好操作系統，對內存的透徹理解是必不可少的 。

在這一節中我們認識到了其實內存僅僅就是一堆裝0或1的小盒子組成，是沒有什么神秘的。我們也了解了C/C++、Java、Python程序的內存模型，也知道了操作系統中的進程在內存中是什么樣子的。同時操作系統中被被稱為虛擬內存的神奇魔法也著實讓人驚嘆，想學習這么魔法請繼續關注操作系統系列文章。