比尔·盖茨在上世纪 80 年代说“640K 内存对哪个人来说都够用了”。

微软开发的还是 DOS 操作系统，程序员用好这极为有限 640K 内存。而现在，已经是 16G 内存了，上升了一万倍还不止。

一、程序装载面临的挑战

运行可执行文件时，通过装载器，解析 ELF 或者 PE 格式的可执行文件。装载器会把对应的指令和数据加载到内存里，让 CPU 执行。装载器两个要求：

第一，可执行程序加载后占用的内存空间应该是连续的。（第 6 讲讲过）执行指令的时候，程序计数器是顺序地一条一条指令执行。指令需连续存储。

第二，需要同时加载多个程序，且不能让程序自己规定在内存中加载的位置。虽编译出来指令里已经有了对应的各种各样的内存地址，但实际加载时，没办法确保，一定加载在哪一段内存地址上。计算机同时运行很多个程序，可能想要的内存地址已经被其他加载了的程序占用了。

满足办法：找连续内存空间，分配给装载程序，连续内存空间地址，和整个程序指令里指定的内存地址做映射。

指令里用到内存地址叫作虚拟内存地址（Virtual Memory Address），内存硬件里面空间地址叫物理内存地址（Physical Memory Address）。

维护虚拟内存到物理内存的映射表，指令执行时，通过虚拟内存地址，找物理内存地址，然后执行。因为连续，所以只需维护映射关系起始地址和对应的空间大小就可。

二、内存分段

找出连续物理内存和虚拟内存地址进行映射叫分段（Segmentation）。段，就是指系统分配出来的连续内存空间。

分段解决物理内存地址问题，不足：内存碎片（Memory Fragmentation）

1GB 的内存电脑。启动图形渲染程序（512MB 内存），启动 Chrome 浏览器（128MB 内存） ， Python 程序（256MB 内存）。关掉 Chrome，空闲1024 - 512 -256 = 256MB。不连续，被分两段 128MB ，200MB程序没办法加载进来。

解决办法：内存交换（Memory Swapping）。

Python256MB 写到硬盘上，再从硬盘上读回来到内存里。紧跟被占用的 512MB 内存后。安装过 Linux 操作系统，遇到分配一个 swap 硬盘分区问题。这块分出来磁盘空间，专门给 Linux 操作系统进行内存交换用。

虚拟内存、分段，再加上内存交换，组合仍有性能瓶颈。硬盘访问速度比内存慢很多，每次交换很占内存空间的程序，机器会卡顿。

三、内存分页

解决办法，少内存碎片。交换时，从磁盘装载数据更少一点，叫内存分页（Paging）。

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。虚拟内存空间，也会切成一段段连续固定大小，叫页（Page）。映射按照页来，不再拿整物理地址。页尺寸远远小于整个程序的大小。 Linux 下 4KB。命令可设置。

$ getconf  PAGE_SIZE

内存空间预先划分好，没有碎片，只有被释放出来很多 4KB 页。即使内存空间不够，内存交换释放页出来，一次性写入磁盘的也只有少数页，时间少，不会卡住。

分页：不需一次性都把程序加载到物理内存。进行虚拟内存和物理内存的页之间映射后，并不真的把页加载到物理内存里，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，再加载到物理内存里。

读取特定页，发现数据并没有加载到物理内存里时，触发来自于 CPU 的缺页错误（Page Fault）。操作系统捕捉到错误，将对应页从硬盘上虚拟内存加载到物理内存。运行远大于实际物理内存程序，不需一次性加载完所有指令和数据，只需要加载当前需要用到就行。就是加入一个间接层。

总结延伸

在虚拟内存、内存交换和内存分页这三者结合之下，“必需”的内存是很少的。CPU 只需要执行当前指令，极限情况下，内存也只需要加载一页就好了。再大的程序，也可以分成一页。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。以我们现在 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”这样的话。

硬盘访问速度比内存慢很多，现在计算机，没有个几 G 的内存都不好意思和人打招呼。

推荐阅读：想要更深入地了解代码装载的详细过程，推荐你阅读《程序员的自我修养——链接、装载和库》的第 1 章和第 6 章。

课后思考

程序是怎么装载到内存里面来的呢？通过内存分页和内存交换的方式加载到内存里面来的么？

（1）jvm是上层应用，无需考虑物理分页，直接考虑对象大小，物理硬件管理统一由承载jvm的操纵系统去解决