一個(gè)爭(zhēng)議很大的問題（文末送書）

早上看到讀者在群里討論這些面試題：

其中，第一個(gè)問題「在 4GB 物理內(nèi)存的機(jī)器上，申請(qǐng) 8G 內(nèi)存會(huì)怎么樣？」存在比較大的爭(zhēng)議，有人說會(huì)申請(qǐng)失敗，有的人說可以申請(qǐng)成功。

這個(gè)問題在沒有前置條件下，就說出答案就是耍流氓。因?yàn)樵?32 位操作系統(tǒng)和 64 位操作系統(tǒng)場(chǎng)景下，答案是不同的。

另外，我們還要看申請(qǐng)完 8G 內(nèi)存后會(huì)不會(huì)被使用，會(huì)被使用是一種情況，不會(huì)被使用又是另外一種情況了。

所以，我們要分場(chǎng)景討論。

正文

應(yīng)用程序通過 malloc 函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，實(shí)際上申請(qǐng)的是虛擬內(nèi)存，此時(shí)并不會(huì)分配物理內(nèi)存。

當(dāng)應(yīng)用程序讀寫了這塊虛擬內(nèi)存，CPU 就會(huì)去訪問這個(gè)虛擬內(nèi)存， 這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)虛擬內(nèi)存沒有映射到物理內(nèi)存， CPU 就會(huì)產(chǎn)生缺頁中斷，進(jìn)程會(huì)從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，并將缺頁中斷交給內(nèi)核的 Page Fault Handler （缺頁中斷函數(shù)）處理。

缺頁中斷處理函數(shù)會(huì)看是否有空閑的物理內(nèi)存：

• 如果有，就直接分配物理內(nèi)存，并建立虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存之間的映射關(guān)系。
• 如果沒有空閑的物理內(nèi)存，那么內(nèi)核就會(huì)開始進(jìn)行回收內(nèi)存的工作，如果回收內(nèi)存工作結(jié)束后，空閑的物理內(nèi)存仍然無法滿足此次物理內(nèi)存的申請(qǐng)，那么內(nèi)核就會(huì)放最后的大招了觸發(fā) OOM （Out of Memory）機(jī)制。

32 位操作系統(tǒng)和 64 位操作系統(tǒng)的虛擬地址空間大小是不同的，在 Linux 操作系統(tǒng)中，虛擬地址空間的內(nèi)部又被分為內(nèi)核空間和用戶空間兩部分，如下所示：

通過這里可以看出：

• 32位系統(tǒng)的內(nèi)核空間占用1G，位于最高處，剩下的3G是用戶空間；
• 64位系統(tǒng)的內(nèi)核空間和用戶空間都是128T，分別占據(jù)整個(gè)內(nèi)存空間的最高和最低處，剩下的中間部分是未定義的。

現(xiàn)在可以回答這個(gè)問題了：在 32 位操作系統(tǒng)、4GB 物理內(nèi)存的機(jī)器上，申請(qǐng) 8GB 內(nèi)存，會(huì)怎么樣？

因?yàn)?32 位操作系統(tǒng)，進(jìn)程最多只能申請(qǐng) 3 GB 大小的虛擬內(nèi)存空間，所以進(jìn)程申請(qǐng) 8GB 內(nèi)存，在申請(qǐng)?zhí)摂M內(nèi)存階段就會(huì)失?。ㄎ沂稚蠜]有 32 位操作系統(tǒng)測(cè)試，我估計(jì)失敗的原因是 OOM）。

在 64 位操作系統(tǒng)、4GB 物理內(nèi)存的機(jī)器上，申請(qǐng) 8G 內(nèi)存，會(huì)怎么樣？

64 位操作系統(tǒng)，進(jìn)程可以使用 128 TB 大小的虛擬內(nèi)存空間，所以進(jìn)程申請(qǐng) 8GB 內(nèi)存是沒問題的，因?yàn)檫M(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存是申請(qǐng)?zhí)摂M內(nèi)存，只要不讀寫這個(gè)虛擬內(nèi)存，操作系統(tǒng)就不會(huì)分配物理內(nèi)存。

我們可以簡(jiǎn)單做個(gè)測(cè)試，我的服務(wù)器是 64 位操作系統(tǒng)，但是物理內(nèi)存只有 2 GB。

現(xiàn)在，我在機(jī)器上，申請(qǐng) 4 GB 內(nèi)存，注意下面代碼只是單純分配了虛擬內(nèi)存，并沒有使用該虛擬內(nèi)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查看內(nèi)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("主線程調(diào)用malloc后，申請(qǐng)1gb大小得內(nèi)存，此內(nèi)存起始地址：0X%x\n", addr[i]);
    }
    getchar();
    return 0;
}

然后運(yùn)行這個(gè)代碼，可以看到，我的物理內(nèi)存雖然只有 2GB，但是程序正常分配了 4GB 大小的虛擬內(nèi)存：

我們可以通過下面這條命令查看進(jìn)程的虛擬內(nèi)存大?。?/p>

# 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 就代表進(jìn)程使用的虛擬內(nèi)存大小，RSS 代表進(jìn)程使用的物理內(nèi)存大小。可以看到，VSZ 大小為 4198540，也就是 4GB 的虛擬內(nèi)存。

然后，我們改一下代碼，在申請(qǐng)完虛擬內(nèi)存后，通過 memset 函數(shù)使用這個(gè)虛擬內(nèi)存，看看會(huì)發(fā)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查看內(nèi)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("主線程調(diào)用malloc后，申請(qǐng)1gb大小得內(nèi)存，此內(nèi)存起始地址：0X%x\n", addr[i]);
        //訪問虛擬內(nèi)存
        memset(addr[i], 0, s);
    }
    getchar();
    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

可以看到，在申請(qǐng)了 2GB 虛擬內(nèi)存后，然后馬上使用了這塊虛擬內(nèi)存，由于這臺(tái)機(jī)器的物理內(nèi)存只有 2 GB，所以發(fā)生了 OOM。

至此， 驗(yàn)證完成了。簡(jiǎn)單總結(jié)下：

• 在 32 位操作系統(tǒng)，因?yàn)檫M(jìn)程最大只能申請(qǐng) 3 GB 大小的虛擬內(nèi)存，所以直接申請(qǐng) 8G 內(nèi)存，會(huì)申請(qǐng)失敗。
• 在 64位 位操作系統(tǒng)，因?yàn)檫M(jìn)程最大只能申請(qǐng) 128 TB 大小的虛擬內(nèi)存，即使物理內(nèi)存只有 4GB，申請(qǐng) 8G 內(nèi)存也是沒問題，因?yàn)樯暾?qǐng)的內(nèi)存是虛擬內(nèi)存，等這塊虛擬內(nèi)存被訪問了，因?yàn)槲锢砜臻g不夠，就會(huì)發(fā)生 OOM。