内存管理和垃圾收集-02： 操作系统如何管理内存？

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内存管理的3个核心问题

关于内存管理有3个核心要点问题，今天我们分享第二点：

1. CPU如何访问

1. 操作系统如何管理

1. Unity如何使用内存

通过本次的分享，希望大家能够对操作系统内存管理有一个更深入的理解！

内存基础与移动端特性

内存从原理来说是分成物理内存和虚拟内存的。

首先我在这里想讲明白一个概念：大家要知道我们的CPU只能访问物理内存，访问不到虚拟内存。这个我等一下再说。

但是有几个知识点跟大家传统认知不一样的地方，这是大家在大学里学《操作系统》时可能没接触过的：

移动端设备有三大特性：

1. 没有独立显卡，使用的是集成在SoC芯片上的显示芯片

1. 没有独立显存，而是与内存共享内存芯片（从内存芯片里分配一块用于显示，称为on-chip memory）

1. CPU缓存层级更少（桌面级通常是三级缓存，移动端可能只有二级或一级缓存）

考虑到移动设备的特殊性，它的CPU缓存大小也更小，这对我们开发会产生一些制约。

物理内存与虚拟内存原理

不管怎样，从传统操作系统角度来说，我们必须理解物理内存和虚拟内存的区别。物理内存其实很好理解，就是物理的内存条。但内存条的存储空间有限。

不知道你们平时用电脑时是什么情况？像我现在的电脑经常使用内存会达到32GB。有时用AI训练模型时，甚至会用到128GB内存（当然这需要显存配合）。假设我们的物理内存条只有16GB，如果操作系统只能使用物理内存，那多出来的内存是从哪来的呢？

物理内存条与虚拟内存硬盘交换示意图

虚拟内存工作机制

答案就是这些内存来自虚拟内存。操作系统为了让用户使用更多内存空间，允许用其他设备模拟内存空间。在PC上通常是硬盘。

例如只有8GB物理内存，但系统使用了32GB内存时，不常用的内存（如后台程序）会被交换到硬盘上，称为内存交换。所以虚拟内存的作用是作为物理内存的后备。

程序能看到的只有虚拟内存：

• 32位系统最大看到4GB内存空间

• 64位系统能看到2的64次方内存空间（非常大的空间）

但CPU实际能使用的空间只有物理内存大小。当程序访问内存地址时（都是虚拟地址），CPU通过内存映射表将虚拟地址转换为物理地址才能访问。

缺页中断处理流程

那么问题来了：当访问的内存不在物理内存中怎么办？这时会发生缺页问题，触发缺页中断（页面错误）。

CPU缺页中断与硬盘数据加载示意图

处理流程是：

1. 查询页表（Memory Map）

1. 找到虚拟地址对应的磁盘位置

1. 将页面数据加载到物理内存

1. 重新建立内存映射

这个过程实际比较复杂，但核心原理就是这样。现代CPU都会使用虚拟内存地址访问方式，无论是否实际进行内存交换。

iOS与安卓内存管理差异

移动端还有个重要特性：不支持内存交换。但iOS和安卓有显著差异：

1. iOS支持内存压缩（将内存分为Clean Memory和Dirty Memory）

1. 安卓不支持内存压缩机制

Clean Memory与Dirty Memory压缩对比图

这就是为什么比较手机时，大内存安卓机可能不如小内存iPhone流畅的关键原因——这是操作系统管理机制造成的！

Unity底层架构解析

接下来我们看Unity如何使用内存。Unity引擎本身是由C++编写的，Unity引擎的架构是分层的：

1. 首先，C#代码通过C#编译器编译成IL中间语言

1. 然后，使用IL2CPP时转换为原生C++代码

1. 最终，编译为平台相关机器指令（安卓ARM64/Windows x86/x64）

C# -> IL -> C++ -> 机器码的转换过程图示

这里需要认知两个重点：

1. Unity底层代码都是C++，使用IL2CPP编译时我们的代码会转换成C++

1. 即使不用IL2CPP，C#调用Unity API时实际也是调用底层C++函数（绑定层会帮我们做转换）

Unity内存管理机制

Unity内存管理主要分为两种类型：

1. Native Memory：C++传统方式分配的内存，需要手动释放

1. Managed Memory：C#使用的托管内存，由垃圾收集器自动管理

Unity托管堆与Native内存分配对比示意图

为什么自己写的C#代码不需要手动释放？——因为它使用托管内存管理机制。

Unity有自己的垃圾收集器（GC），它会定期回收不再使用的内存（类似垃圾回收车），这个机制我会放在下次分享详细讲解~

性能分析实践要点

性能分析时要注意两个关键点：

1. 避免在编辑器环境测试：编辑器会预加载所有资源，内存分配方式与真机运行时完全不同！

1. Native内存的特殊性：Unity Profiler可能监控不到第三方C++插件分配的内存

ity编辑器与移动端内存占用对比图表

Unity近年做了资源加载优化：

• 早期：启动时加载所有资源

• 现在：启动时只加载必要资源，进入场景时才加载场景相关资源

但最终性能测试还是要在打包后的真机环境进行。

另外注意，当使用第三方C++插件导致内存泄漏时，问题会很难排查（因为Profiler监控不到）

性能优化全流程

性能优化需要多维度进行，主要包括：

1. 内存优化（Native和托管内存）

1. 渲染优化（UI/模型/动画/场景）

1. 网络优化

1. 数据库优化

1. 机器人压力测试

Unity性能优化维度

内存、渲染、UI、网络等优化方向脑图

优化方法论有两条路线：

1. 后验定位：通过性能分析定位瓶颈（如使用Profiler）

1. 先验规范：在开发框架层面制定规范预防问题

关于Mono和IL2CPP的选择：

• Mono仍在被使用

• 但IL2CPP优势明显：

1. 1. 性能更高

1. 1. 不受Mono更新限制

1. 1. 支持更广泛的跨平台

1. 1. 支持Hybrid CLR热更新

小结

今天分享的核心要点：

1. CPU访问内存的流程（缓存->物理内存->虚拟内存）

1. Unity内存两大类型（Native内存/托管内存）

1. Profiler的监控局限性

1. 性能优化的多维度方向

下次分享将深入讲解：

1. Native内存构成与优化

1. 托管内存管理机制

1. GC性能瓶颈定位方法

在商业项目中做好资源管理特别关键（尤其是大型游戏的渲染资源）。

同时热更新框架的实现也需要结合性能考量，这些都是高级开发者需要掌握的技能。

参考：

• 完整视频版本请访：https://www.bilibili.com/video/BV1nYTNzDEkp

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