從操作系統角度來看，進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk 和 mmap（不考慮共享內存）。
- brk 的實現方式是將 Data Segment 的最高地址指針 _edata 往高地址推（分配的內存小於 128k ）。
- mmap 的實現方式是在 Memory Mapping Segment 找一塊空閑的虛擬內存（分配的內存大於 128k ）。
（Data segment 和 Memory Mapping Segment 的相關內容查看這里。）
這兩種方式分配的都是虛擬內存，沒有分配物理內存。在第一次訪問已分配的虛擬地址空間的時候，發生缺頁中斷，操作系統負責分配物理內存，然后建立虛擬內存和物理內存之間的映射關系。
在標准 C 庫中，提供了 malloc / free 函數分配釋放內存，這兩個函數底層是由 brk，mmap，munmap 這些系統調用實現的。
example 1
1、進程調用 A = malloc ( 30k ) 以后，內存空間如下圖所示。malloc 函數會調用 brk 系統調用，將 _edata 指針往高地址推 30K，就完成虛擬內存分配。
你可能會問：只要把_edata + 30K 就完成內存分配了？
事實是這樣的，_edata + 30K 只是完成虛擬地址的分配，A 這塊內存現在還是沒有物理頁與之對應的，等到進程第一次讀寫 A 這塊內存的時候，發生缺頁中斷，這個時候，內核才分配 A 這塊內存對應的物理頁。也就是說，如果用 malloc 分配了 A 這塊內容，然后從來不訪問它，那么，A 對應的物理頁是不會被分配的。
example2
進程調用 B = malloc(40K) 以后，內存空間如下圖所示。
example 3
3、當 malloc 分配大於 128k 的內存時，使用 mmap 分配內存。在堆和棧之間找一塊空閑內存分配（對應獨立內存，而且初始化為 0 ）。
這么做的原因是 brk 分配的內存需要等到高地址內存釋放以后才能釋放（例如，在 B 釋放之前，A 是不可能釋放的，這就是內存碎片產生的原因，什么時候收縮看下面），而 mmap 分配的內存可以單獨釋放。，如下圖所示，這里分配 200k 。
example 4
4、進程調用 D = malloc(100k) 以后，內存空間如下圖所示。
example 5
5、進程調用 free(C) 以后，C 對應的虛擬內存和物理內存一起釋放。
example 6
6、進程調用 free(B) 以后，如下圖所示，B 對應的虛擬內存和物理內存都沒有釋放，因為只有一個 _edata 指針，如果往回推，那么 D 這塊內存怎么辦呢？當然，B 這塊內存是可以重用的，如果這個時候再來一個 40K 的請求，那么 malloc 很可能就將 B 這塊內存返回的。
example 7
7、進程調用 free(D) 以后，如下圖所示，B 和 D 連接起來變成一塊 140K 的空閑內存。當最高地址空間的空閑內存超過128K（可由 M_TRIM_THRESHOLD 選項調節）時，執行內存緊縮操作（trim）。在上一個步驟 free 的時候，發現最高地址空閑內存超過 128 K，於是內存緊縮，如下圖所示。
2 mmap
了解完 虛擬內存 ，再回過頭來講一下 mmap ，也就是內存映射 。內存映射是將一個虛擬內存區域與一個磁盤上的對象關聯起來，以初始化這個虛擬內存區域的內容的過程。
2.1 基礎概念
先講下內存映射里的一些概念。
映射對象類型
虛擬內存區域可以映射以下兩種類型的對象：
普通文件：即磁盤文件中的一塊 連續 的區域。
匿名文件：一個由內核創建的全為 二進制零 的文件。當CPU首次引用此區域時，將以二進制零填充到頁表中。
共享對象
在上一節 虛擬內存 可得知，系統為每個進程提供了單獨的頁表，從而也實現了進程間數據訪問權限的管理以及數據的保護。但同時，通過內存映射的機制，將對象作為 共享對象 映射到兩個進程的虛擬內存亦可實現數據的共享。
2.2 使用方式
然后先講下如果我們應該如何通過內存映射的方式來訪問文件。 mmap() 的函數定義如下：
void * mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
其中參數的含義分別是：
start: 期望的進程虛擬內存起始位置，填 NULL 時由內核來決定起始位置
length: 需要映射的對象字節大小
fd: 文件句柄
offset: 距離文件開始處的偏移量
prot: 映射對象的訪問權限，用於可指定是否可讀寫、執行。
flags: 映射對象的類型，例如指定是映射普通文件還是請求二進制零、映射共享對象還是私有的寫時復制對象等。
前4項地含義可通過下圖更直觀地了解：
而在 iOS 開發中，當我們需要的數據類型是 NSData 時，可以更簡便地通過調用以下方法
2.3 讀取過程
當我們通過 mmap 讀取文件時，將經歷以下步驟：
在當前用戶虛擬內存空間中分配一片 指定映射大小 的虛擬內存區域。
將磁盤中的文件映射到這片內存區域，等待后續 按需 進行頁面調度。
當CPU真正訪問數據時，觸發 缺頁異常 將所需的數據頁從磁盤拷貝到物理內存，並將物理頁地址記錄到頁表。
進程通過頁表得到的物理頁地址訪問文件數據。
而作為對比，當通過 標准IO 讀取一個文件時，步驟為：
將 完整 的文件從磁盤拷貝到物理內存（內核空間）。
將完整文件數據從 內核空間 拷貝到 用戶空間 以供進程訪問。
2.4 優劣
通過上面 mmap 與 標准IO 的對比，不難發現調用mmap具有以下的優勢：
物理內存占用延后：數據直到真正被使用時才會發生拷貝。
物理內存占用減少：對於同一份文件無需在物理內存中存放兩份，且文件區被划分成片，缺頁異常時只將所需的頁拷貝到物理內存。
方便實現跨進程數據交互、共享：當映射到虛擬內存的對象被設置為共享對象，則不同進程對映射對象的寫操作相互可見。
然而也能發現 mmap 存在以下 劣勢 ：
無法映射變長文件：調用mmap()時需指定要映射的文件位置和需要映射的大小范圍。
如果需要映射的文件過大，會導致過度占用虛擬內存：在調用mmap()后，虛擬內存空間就創建了，此時雖然不會占用物理內存，但依然會占用虛擬內存。此時可考慮只映射文件中自己需要的部分。
由此，當我們需要訪問一個比較大的文件，尤其是當我們只需要訪問其中的一小部分數據的時候，我們可以嘗試通過 mmap 的方式來進行訪問，減少由於該文件過大而對物理內存的過度占用。
