malloc 和mmap
从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk 和 mmap（不考虑共享内存）。
- brk 的实现方式是将 Data Segment 的最高地址指针 _edata 往高地址推（分配的内存小于 128k ）。
- mmap 的实现方式是在 Memory Mapping Segment 找一块空闲的虚拟内存（分配的内存大于 128k ）。
（Data segment 和 Memory Mapping Segment 的相关内容查看这里。）
这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。
在标准 C 库中，提供了 malloc / free 函数分配释放内存，这两个函数底层是由 brk，mmap，munmap 这些系统调用实现的。
example 1
1、进程调用 A = malloc ( 30k ) 以后，内存空间如下图所示。malloc 函数会调用 brk 系统调用，将 _edata 指针往高地址推 30K，就完成虚拟内存分配。
你可能会问：只要把_edata + 30K 就完成内存分配了？
事实是这样的，_edata + 30K 只是完成虚拟地址的分配，A 这块内存现在还是没有物理页与之对应的，等到进程第一次读写 A 这块内存的时候，发生缺页中断，这个时候，内核才分配 A 这块内存对应的物理页。也就是说，如果用 malloc 分配了 A 这块内容，然后从来不访问它，那么，A 对应的物理页是不会被分配的。
example2
进程调用 B = malloc(40K) 以后，内存空间如下图所示。
example 3
3、当 malloc 分配大于 128k 的内存时，使用 mmap 分配内存。在堆和栈之间找一块空闲内存分配（对应独立内存，而且初始化为 0 ）。
这么做的原因是 brk 分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放（例如，在 B 释放之前，A 是不可能释放的，这就是内存碎片产生的原因，什么时候收缩看下面），而 mmap 分配的内存可以单独释放。，如下图所示，这里分配 200k 。
example 4
4、进程调用 D = malloc(100k) 以后，内存空间如下图所示。
example 5
5、进程调用 free(C) 以后，C 对应的虚拟内存和物理内存一起释放。
example 6
6、进程调用 free(B) 以后，如下图所示，B 对应的虚拟内存和物理内存都没有释放，因为只有一个 _edata 指针，如果往回推，那么 D 这块内存怎么办呢？当然，B 这块内存是可以重用的，如果这个时候再来一个 40K 的请求，那么 malloc 很可能就将 B 这块内存返回的。
example 7
7、进程调用 free(D) 以后，如下图所示，B 和 D 连接起来变成一块 140K 的空闲内存。当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由 M_TRIM_THRESHOLD 选项调节）时，执行内存紧缩操作（trim）。在上一个步骤 free 的时候，发现最高地址空闲内存超过 128 K，于是内存紧缩，如下图所示。
2 mmap
了解完 虚拟内存 ，再回过头来讲一下 mmap ，也就是内存映射 。内存映射是将一个虚拟内存区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟内存区域的内容的过程。
2.1 基础概念
先讲下内存映射里的一些概念。
映射对象类型
虚拟内存区域可以映射以下两种类型的对象：
普通文件：即磁盘文件中的一块 连续 的区域。
匿名文件：一个由内核创建的全为 二进制零 的文件。当CPU首次引用此区域时，将以二进制零填充到页表中。
共享对象
在上一节 虚拟内存 可得知，系统为每个进程提供了单独的页表，从而也实现了进程间数据访问权限的管理以及数据的保护。但同时，通过内存映射的机制，将对象作为 共享对象 映射到两个进程的虚拟内存亦可实现数据的共享。
2.2 使用方式
然后先讲下如果我们应该如何通过内存映射的方式来访问文件。 mmap() 的函数定义如下：
void * mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
其中参数的含义分别是：
start: 期望的进程虚拟内存起始位置，填 NULL 时由内核来决定起始位置
length: 需要映射的对象字节大小
fd: 文件句柄
offset: 距离文件开始处的偏移量
prot: 映射对象的访问权限，用于可指定是否可读写、执行。
flags: 映射对象的类型，例如指定是映射普通文件还是请求二进制零、映射共享对象还是私有的写时复制对象等。
前4项地含义可通过下图更直观地了解：
而在 iOS 开发中，当我们需要的数据类型是 NSData 时，可以更简便地通过调用以下方法
2.3 读取过程
当我们通过 mmap 读取文件时，将经历以下步骤：
在当前用户虚拟内存空间中分配一片 指定映射大小 的虚拟内存区域。
将磁盘中的文件映射到这片内存区域，等待后续 按需 进行页面调度。
当CPU真正访问数据时，触发 缺页异常 将所需的数据页从磁盘拷贝到物理内存，并将物理页地址记录到页表。
进程通过页表得到的物理页地址访问文件数据。
而作为对比，当通过 标准IO 读取一个文件时，步骤为：
将 完整 的文件从磁盘拷贝到物理内存（内核空间）。
将完整文件数据从 内核空间 拷贝到 用户空间 以供进程访问。
2.4 优劣
通过上面 mmap 与 标准IO 的对比，不难发现调用mmap具有以下的优势：
物理内存占用延后：数据直到真正被使用时才会发生拷贝。
物理内存占用减少：对于同一份文件无需在物理内存中存放两份，且文件区被划分成片，缺页异常时只将所需的页拷贝到物理内存。
方便实现跨进程数据交互、共享：当映射到虚拟内存的对象被设置为共享对象，则不同进程对映射对象的写操作相互可见。
然而也能发现 mmap 存在以下 劣势 ：
无法映射变长文件：调用mmap()时需指定要映射的文件位置和需要映射的大小范围。
如果需要映射的文件过大，会导致过度占用虚拟内存：在调用mmap()后，虚拟内存空间就创建了，此时虽然不会占用物理内存，但依然会占用虚拟内存。此时可考虑只映射文件中自己需要的部分。
由此，当我们需要访问一个比较大的文件，尤其是当我们只需要访问其中的一小部分数据的时候，我们可以尝试通过 mmap 的方式来进行访问，减少由于该文件过大而对物理内存的过度占用。
