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內(nèi)存(Memory)是計(jì)算機(jī)的重要部件之一，也稱內(nèi)存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器，它用于暫時(shí)存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，與硬盤等外部存儲(chǔ)器交換的數(shù)據(jù)。它是外存與CPU進(jìn)行溝通的橋梁，計(jì)算機(jī)中所有程序的運(yùn)行都在內(nèi)存中進(jìn)行，內(nèi)存性能的強(qiáng)弱影響計(jì)算機(jī)整體發(fā)揮的水平。只要計(jì)算機(jī)開始運(yùn)行，操作系統(tǒng)就會(huì)把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)從內(nèi)存調(diào)到CPU中進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算完成，CPU將結(jié)果傳送出來。
內(nèi)存是計(jì)算機(jī)中必不可少的資源，因?yàn)?CPU 只能直接讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，所以當(dāng) CPU 需要讀取外部設(shè)備(如硬盤)的數(shù)據(jù)時(shí)，必須先把數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中。
我們來看看可愛的內(nèi)存長什么樣子的吧，如圖1所示：
一、內(nèi)存申請(qǐng)
通常使用高級(jí)語言(如Go、Java 或 Python 等)都不需要自己管理內(nèi)存(因?yàn)橛欣厥諜C(jī)制)，但 C/C++ 程序員就經(jīng)常要與內(nèi)存打交道。
當(dāng)我們使用 C/C++ 編寫程序時(shí)，如果需要使用內(nèi)存，就必須先調(diào)用 malloc 函數(shù)來申請(qǐng)一塊內(nèi)存。但是，malloc 真的是申請(qǐng)了內(nèi)存嗎?
我們通過下面例子來觀察 malloc 到底是不是真的申請(qǐng)了內(nèi)存：
#include
int main(int argc, char const *argv[])
{
void *ptr;
ptr = malloc(1024 * 1024 * 1024); // 申請(qǐng) 1GB 內(nèi)存
sleep(3600); // 睡眠3600秒, 方便調(diào)試
return 0;
}
上面的程序主要通過調(diào)用 malloc 函數(shù)來申請(qǐng)了 1GB 的內(nèi)存，然后睡眠 3600 秒，方便我們查看其內(nèi)存使用情況。
現(xiàn)在，我們編譯上面的程序并且運(yùn)行，如下：
$ gcc malloc.c -o malloc
$ ./malloc
并且我們打開一個(gè)新的終端，然后查看其內(nèi)存使用情況，如圖 2 所示：
圖2 中的 VmRSS 表示進(jìn)程使用的物理內(nèi)存大小，但我們明明申請(qǐng)了 1GB 的內(nèi)存，為什么只顯示使用 404KB 的內(nèi)存呢?這里就涉及到 虛擬內(nèi)存 和 物理內(nèi)存 的概念了。
二、物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存
下面先來介紹一下 物理內(nèi)存 與 虛擬內(nèi)存 的概念：
物理內(nèi)存：也就是安裝在計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存條，比如安裝了 2GB 大小的內(nèi)存條，那么物理內(nèi)存地址的范圍就是 0 ~ 2GB。
虛擬內(nèi)存：虛擬的內(nèi)存地址。由于 CPU 只能使用物理內(nèi)存地址，所以需要將虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存地址才能被 CPU 使用，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程由 MMU(Memory Management Unit，內(nèi)存管理單元) 來完成。虛擬內(nèi)存 大小不受 物理內(nèi)存 大小的限制，在 32 位的操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間大小為 0 ~ 4GB。
程序中使用的內(nèi)存地址都是虛擬內(nèi)存地址，也就是說，我們通過 malloc 函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存都是虛擬內(nèi)存。實(shí)際上，內(nèi)核會(huì)為每個(gè)進(jìn)程管理其虛擬內(nèi)存空間，并且會(huì)把虛擬內(nèi)存空間劃分為多個(gè)區(qū)域，如 圖3 所示：
我們來分析一下這些區(qū)域的作用：
代碼段：用于存放程序的可執(zhí)行代碼。
數(shù)據(jù)段：用于存放程序的全局變量和靜態(tài)變量。
堆空間：用于存放由 malloc 申請(qǐng)的內(nèi)存。
?？臻g：用于存放函數(shù)的參數(shù)和局部變量。
內(nèi)核空間：存放 Linux 內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)。
三、brk指針
由此可知，通過 malloc 函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存地址是由 堆空間 分配的(其實(shí)還有可能從 mmap 區(qū)分配，這種情況暫時(shí)忽略)。在內(nèi)核中，使用一個(gè)名為 brk 的指針來表示進(jìn)程的 堆空間 的頂部，如 圖4 所示：
所以，通過移動(dòng) brk 指針就可以達(dá)到申請(qǐng)(向上移動(dòng))和釋放(向下移動(dòng))堆空間的內(nèi)存。例如申請(qǐng) 1024 字節(jié)時(shí)，只需要把 brk 向上移動(dòng) 1024 字節(jié)即可，如 圖5 所示：
事實(shí)上，malloc 函數(shù)就是通過移動(dòng) brk 指針來實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的，Linux 提供了一個(gè)名為 brk() 的系統(tǒng)調(diào)用來移動(dòng) brk 指針。
四、內(nèi)存映射
現(xiàn)在我們知道，malloc 函數(shù)只是移動(dòng) brk 指針，但并沒有申請(qǐng)物理內(nèi)存。前面我們介紹虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的時(shí)候介紹過，虛擬內(nèi)存地址必須映射到物理內(nèi)存地址才能被使用。如 圖6 所示：
如果對(duì)沒有進(jìn)行映射的虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫操作，那么將會(huì)發(fā)生 缺頁異常。Linux 內(nèi)核會(huì)對(duì) 缺頁異常 進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)過程如下：
獲取觸發(fā) 缺頁異常 的虛擬內(nèi)存地址(讀寫哪個(gè)虛擬內(nèi)存地址導(dǎo)致的)。
查看此虛擬內(nèi)存地址是否被申請(qǐng)(是否在 brk 指針內(nèi))，如果不在 brk 指針內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致 Segmention Fault 錯(cuò)誤(也就是常見的coredump)，進(jìn)程將會(huì)異常退出。
如果虛擬內(nèi)存地址在 brk 指針內(nèi)，那么將此虛擬內(nèi)存地址映射到物理內(nèi)存地址上，完成 缺頁異常 修復(fù)過程，并且返回到觸發(fā)異常的地方進(jìn)行運(yùn)行。
從上面的過程可以看出，不對(duì)申請(qǐng)的虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫操作是不會(huì)觸發(fā)申請(qǐng)新的物理內(nèi)存。所以，這就解釋了為什么申請(qǐng) 1GB 的內(nèi)存，但實(shí)際上只使用了 404 KB 的物理內(nèi)存。
五、總結(jié)
本文主要解釋了內(nèi)存申請(qǐng)的原理，并且了解到 malloc 申請(qǐng)的只是虛擬內(nèi)存，而且物理內(nèi)存的申請(qǐng)延遲到對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行讀寫的時(shí)候，這樣做可以減輕進(jìn)程對(duì)物理內(nèi)存使用的壓力。
新聞名稱：詳解內(nèi)存分配
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