在 4GB 物理內存的機器上，申請 8G 內存會怎么樣？

作者：小林coding 2022-06-07 19:51:21

當應用程序讀寫了這塊虛擬內存，CPU 就會去訪問這個虛擬內存，這時會發現這個虛擬內存沒有映射到物理內存， CPU 就會產生缺頁中斷，進程會從用戶態切換到內核態，并將缺頁中斷交給內核的 Page Fault Handler （缺頁中斷函數）處理。

大家好，我是小林。

早上看到讀者在群里討論這些面試題：

其中，第一個問題「在 4GB 物理內存的機器上，申請 8G 內存會怎么樣？」存在比較大的爭議，有人說會申請失敗，有的人說可以申請成功。

這個問題在沒有前置條件下，就說出答案就是耍流氓。因為在 32 位操作系統和 64 位操作系統場景下，答案是不同的。

另外，我們還要看申請完 8G 內存后會不會被使用，會被使用是一種情況，不會被使用又是另外一種情況了。

所以，我們要分場景討論。

應用程序通過 malloc 函數申請內存的時候，實際上申請的是虛擬內存，此時并不會分配物理內存。

缺頁中斷處理函數會看是否有空閑的物理內存：

如果有，就直接分配物理內存，并建立虛擬內存與物理內存之間的映射關系。
如果沒有空閑的物理內存，那么內核就會開始進行回收內存的工作，如果回收內存工作結束后，空閑的物理內存仍然無法滿足此次物理內存的申請，那么內核就會放最后的大招了觸發 OOM （Out of Memory）機制。

32 位操作系統和 64 位操作系統的虛擬地址空間大小是不同的，在 Linux 操作系統中，虛擬地址空間的內部又被分為內核空間和用戶空間兩部分，如下所示：

通過這里可以看出：

32? 位系統的內核空間占用1G?，位于最高處，剩下的3G 是用戶空間；
64? 位系統的內核空間和用戶空間都是128T，分別占據整個內存空間的最高和最低處，剩下的中間部分是未定義的。

現在可以回答這個問題了：在 32 位操作系統、4GB 物理內存的機器上，申請 8GB 內存，會怎么樣？

因為 32 位操作系統，進程最多只能申請 3 GB 大小的虛擬內存空間，所以進程申請 8GB 內存，在申請虛擬內存階段就會失敗（我手上沒有 32 位操作系統測試，我估計失敗的原因是 OOM）。

在 64 位操作系統、4GB 物理內存的機器上，申請 8G 內存，會怎么樣？

64 位操作系統，進程可以使用 128 TB 大小的虛擬內存空間，所以進程申請 8GB 內存是沒問題的，因為進程申請內存是申請虛擬內存，只要不讀寫這個虛擬內存，操作系統就不會分配物理內存。

我們可以簡單做個測試，我的服務器是 64 位操作系統，但是物理內存只有 2 GB。

現在，我在機器上，申請 4 GB 內存，注意下面代碼只是單純分配了虛擬內存，并沒有使用該虛擬內存：

#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("主線程調用malloc后，申請1gb大小得內存，此內存起始地址：0X%x\n", addr[i]);
    }
    getchar();
    return 0;
}

然后運行這個代碼，可以看到，我的物理內存雖然只有 2GB，但是程序正常分配了 4GB 大小的虛擬內存：

我們可以通過下面這條命令查看進程的虛擬內存大小：

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

然后，我們改一下代碼，在申請完虛擬內存后，通過 memset 函數使用這個虛擬內存，看看會發生什么。

#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("主線程調用malloc后，申請1gb大小得內存，此內存起始地址：0X%x\n", addr[i]);
        //訪問虛擬內存
        memset(addr[i], 0, s);
    }
    getchar();
    return 0;
}

運行結果：

可以看到，在申請了 2GB 虛擬內存后，然后馬上使用了這塊虛擬內存，由于這臺機器的物理內存只有 2 GB，所以發生了 OOM。

至此，驗證完成了。簡單總結下：

在 32 位操作系統，因為進程最大只能申請 3 GB 大小的虛擬內存，所以直接申請 8G 內存，會申請失敗。
在 64位位操作系統，因為進程最大只能申請 128 TB 大小的虛擬內存，即使物理內存只有 4GB，申請 8G 內存也是沒問題，因為申請的內存是虛擬內存，等這塊虛擬內存被訪問了，因為物理空間不夠，就會發生 OOM。

責任編輯：武曉燕來源：小林coding

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