争议很大的问题
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2022-06-09 21:36
作者：小林coding
图解网站：https://xiaolincoding.com/
大家好，我是小林。
早上看到读者在群里讨论这些面试题：
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。
正文
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：
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。
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
#include
#include
#include
#include
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：
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
#include
#include
#include
#include
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：
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。
好了，水完了！