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在 4GB 物理内存的机器上,申请 8G 内存会怎么样?
网络 通信技术
当应用程序读写了这块虚拟内存,CPU 就会去访问这个虚拟内存, 这时会发现这个虚拟内存没有映射到物理内存, CPU 就会产生缺页中断,进程会从用户态切换到内核态,并将缺页中断交给内核的 Page Fault Handler (缺页中断函数)处理。

大家好,我是小林。

早上看到读者在群里讨论这些面试题:

图片

其中,第一个问题「在 4GB 物理内存的机器上,申请 8G 内存会怎么样?」存在比较大的争议,有人说会申请失败,有的人说可以申请成功。

这个问题在没有前置条件下,就说出答案就是耍流氓。因为在 32 位操作系统和 64 位操作系统场景下,答案是不同的。

另外,我们还要看申请完 8G 内存后会不会被使用,会被使用是一种情况,不会被使用又是另外一种情况了。

所以,我们要分场景讨论。

应用程序通过 malloc 函数申请内存的时候,实际上申请的是虚拟内存,此时并不会分配物理内存。

当应用程序读写了这块虚拟内存,CPU 就会去访问这个虚拟内存, 这时会发现这个虚拟内存没有映射到物理内存, CPU 就会产生缺页中断,进程会从用户态切换到内核态,并将缺页中断交给内核的 Page Fault Handler (缺页中断函数)处理。

缺页中断处理函数会看是否有空闲的物理内存:

  • 如果有,就直接分配物理内存,并建立虚拟内存与物理内存之间的映射关系。
  • 如果没有空闲的物理内存,那么内核就会开始进行回收内存的工作,如果回收内存工作结束后,空闲的物理内存仍然无法满足此次物理内存的申请,那么内核就会放最后的大招了触发 OOM (Out of Memory)机制。

32 位操作系统和 64 位操作系统的虚拟地址空间大小是不同的,在 Linux 操作系统中,虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分,如下所示:

图片

通过这里可以看出:

  • 32​ 位系统的内核空间占用1G​,位于最高处,剩下的3G 是用户空间;
  • 64​ 位系统的内核空间和用户空间都是128T,分别占据整个内存空间的最高和最低处,剩下的中间部分是未定义的。

现在可以回答这个问题了:在 32 位操作系统、4GB 物理内存的机器上,申请 8GB 内存,会怎么样?

因为 32 位操作系统,进程最多只能申请 3 GB 大小的虚拟内存空间,所以进程申请 8GB 内存,在申请虚拟内存阶段就会失败(我手上没有 32 位操作系统测试,我估计失败的原因是 OOM)。

在 64 位操作系统、4GB 物理内存的机器上,申请 8G 内存,会怎么样?

64 位操作系统,进程可以使用 128 TB 大小的虚拟内存空间,所以进程申请 8GB 内存是没问题的,因为进程申请内存是申请虚拟内存,只要不读写这个虚拟内存,操作系统就不会分配物理内存。

我们可以简单做个测试,我的服务器是 64 位操作系统,但是物理内存只有 2 GB。

图片

现在,我在机器上,申请 4 GB 内存,注意下面代码只是单纯分配了虚拟内存,并没有使用该虚拟内存:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>

int main() {
int ret;
char* addr[4];
printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\n",getpid());
size_t s = 1024 * 1024 * 1024;
int i = 0;
for(i = 0; i < 4; ++i) {
printf("alloc size = %d\n", s);
addr[i] = (char*) malloc(s);
printf("主线程调用malloc后,申请1gb大小得内存,此内存起始地址:0X%x\n", addr[i]);
}
getchar();
return 0;
}

然后运行这个代码,可以看到,我的物理内存虽然只有 2GB,但是程序正常分配了 4GB 大小的虚拟内存:

图片

我们可以通过下面这条命令查看进程的虚拟内存大小:

# ps aux | grep alloc_4g
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
root 7797 0.0 0.0 4198540 352 pts/1 S+ 16:58 0:00 ./alloc_4g

其中,VSZ 就代表进程使用的虚拟内存大小,RSS 代表进程使用的物理内存大小。可以看到,VSZ 大小为 4198540,也就是 4GB 的虚拟内存。

然后,我们改一下代码,在申请完虚拟内存后,通过 memset 函数使用这个虚拟内存,看看会发生什么。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>

int main() {
int ret;
char* addr[4];
printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\n",getpid());
size_t s = 1024 * 1024 * 1024;
int i = 0;
for(i = 0; i < 4; ++i) {
printf("alloc size = %d\n", s);
addr[i] = (char*) malloc(s);
printf("主线程调用malloc后,申请1gb大小得内存,此内存起始地址:0X%x\n", addr[i]);
//访问虚拟内存
memset(addr[i], 0, s);
}
getchar();
return 0;
}

运行结果:

图片

可以看到,在申请了 2GB 虚拟内存后,然后马上使用了这块虚拟内存,由于这台机器的物理内存只有 2 GB,所以发生了 OOM。

至此, 验证完成了。简单总结下:

  • 在 32 位操作系统,因为进程最大只能申请 3 GB 大小的虚拟内存,所以直接申请 8G 内存,会申请失败。
  • 在 64位 位操作系统,因为进程最大只能申请 128 TB 大小的虚拟内存,即使物理内存只有 4GB,申请 8G 内存也是没问题,因为申请的内存是虚拟内存,等这块虚拟内存被访问了,因为物理空间不够,就会发生 OOM。
责任编辑:武晓燕 来源: 小林coding
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