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[導(dǎo)讀]內(nèi)存是計算機(jī)中必不可少的資源,因為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,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)存申請通常使用高級語言(如Go、Java或Python等)都不需要自己管理內(nèi)存(因為有垃圾回收機(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,如果需要使用內(nèi)存,就必須先調(diào)用malloc函數(shù)來申請一塊內(nèi)存。但是,malloc真的是申請了內(nèi)存嗎?我們通過下面例子來觀察malloc到底是不是真的申請了內(nèi)存:1#include?23int?main(int?argc,?char?cons...


內(nèi)存是計算機(jī)中必不可少的資源,因為 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,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

通常使用高級語言(如Go、Java 或 Python 等)都不需要自己管理內(nèi)存(因為有垃圾回收機(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,如果需要使用內(nèi)存,就必須先調(diào)用 malloc 函數(shù)來申請一塊內(nèi)存。但是,malloc 真的是申請了內(nèi)存嗎?

我們通過下面例子來觀察 malloc 到底是不是真的申請了內(nèi)存:

1#include?
2
3int?main(int?argc,?char?const?*argv[])
4
{
5???void?*ptr;
6
7???ptr?=?malloc(1024?*?1024?*?1024);?//?申請?1GB?內(nèi)存
8
9???sleep(3600);?//?睡眠3600秒,?方便調(diào)試
10
11???return?0;
12}
上面的程序主要通過調(diào)用 malloc 函數(shù)來申請了 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行,如下:

1$?gcc?malloc.c?-o?malloc
2$?./malloc

并且我們打開一個新的終端,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)存虛擬內(nèi)存 的概念:

  • 物理內(nèi)存:也就是安裝在計算機(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)申請的內(nèi)存都是虛擬內(nèi)存。實際上,內(nèi)核會為每個進(jìn)程管理其虛擬內(nèi)存空間,并且會把虛擬內(nèi)存空間劃分為多個區(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)申請的內(nèi)存地址是由 堆空間 分配的(其實還有可能從 mmap 區(qū)分配,這種情況暫時忽略)。在內(nèi)核中,使用一個名為 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 brk 指針就可以達(dá)到申請(向上移動)和釋放(向下移動)堆空間的內(nèi)存。例如申請 1024 字節(jié)時,只需要把 brk 向上移動 1024 字節(jié)即可,如 圖5 所示:



事實上,malloc 函數(shù)就是通過移動 brk 指針來實現(xiàn)申請和釋放內(nèi)存的,Linux 提供了一個名為 brk() 的系統(tǒng)調(diào)用來移動 brk 指針。

四、內(nèi)存映射

現(xiàn)在我們知道,malloc 函數(shù)只是移動 brk 指針,但并沒有申請物理內(nèi)存。前面我們介紹虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的時候介紹過,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,那么將會發(fā)生 缺頁異常。Linux 內(nèi)核會對 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(是否在 brk 指針內(nèi)),如果不在 brk 指針內(nèi),將會導(dǎo)致 Segmention Fault 錯誤(也就是常見的coredump),進(jìn)程將會異常退出。

  • 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)行運行。

從上面的過程可以看出,不對申請的虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫操作是不會觸發(fā)申請新的物理內(nèi)存。所以,這就解釋了為什么申請 1GB 的內(nèi)存,但實際上只使用了 404 KB 的物理內(nèi)存。

五、總結(jié)

本文主要解釋了內(nèi)存申請的原理,并且了解到 malloc 申請的只是虛擬內(nèi)存,而且物理內(nèi)存的申請延遲到對虛擬內(nèi)存進(jìn)行讀寫的時候,這樣做可以減輕進(jìn)程對物理內(nèi)存使用的壓力。


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