9.9.1 malloc 和 free 函数

在使用malloc函数的时候分配的是堆区的空间，但是堆区是虚拟内存啊。怎么知道在物理内存中一定有足够的空间分配呢？
这是一个非常好的问题，它触及了操作系统内存管理的核心。你的理解是正确的，malloc 分配的是虚拟内存，而程序在运行时使用的是虚拟地址空间。

简单直接的答案是：程序（以及malloc）本身不需要知道，也无需担心物理内存是否足够。这是操作系统（内核）的职责，它通过一套复杂的机制来保证这一点。

下面我来详细解释这个过程是如何工作的：

1. 虚拟内存系统的核心：按需分配物理页

操作系统和硬件（MMU，内存管理单元）共同维护着一个从虚拟地址到物理地址的映射表（页表）。当你调用 malloc(1024 * 1024) 申请1MB空间时，会发生以下事情：

  1. 分配虚拟地址范围：malloc 库函数会在你进程的堆区（一段虚拟地址空间）找到一块连续的、未使用的1MB大小的虚拟地址范围，标记为已分配，然后返回这个范围的起始地址给你。
  2. 此时并未分配物理内存：在绝大多数情况下，在这一步，操作系统并没有真正分配1MB的物理内存。它只是在你的进程页表中，将这1MB的虚拟地址空间标记为“无效”的映射。这意味着任何试图访问这块新内存的操作，都会触发一个特殊的硬件异常——缺页中断（Page Fault）。

2. 缺页中断：真正分配物理内存的时刻

当你第一次访问刚才 malloc 得到的内存时（比如写入一个数据），CPU 的 MMU 会查找页表，发现这个虚拟地址还没有映射到任何物理内存页（即“缺页”），于是触发一个缺页中断。

操作系统内核的缺页中断处理程序会接管CPU，并执行以下操作：

  1. 找到一个空闲的物理页帧（Page Frame）：内核会从系统的空闲物理页列表中取出一个4KB大小的物理页。
  2. 更新页表：内核建立这个虚拟页到刚找到的物理页的映射关系，并将页表项标记为“有效”。
  3. 继续执行程序：中断处理完成后，CPU 回到你的程序刚才那条访问内存的指令重新执行。这次，MMU 就能成功找到物理地址，访问得以继续。

这个过程是“按需分配”的，也称为“延迟分配”。你申请了1MB，但可能只写了前100个字节，那么实际上可能只分配了1个物理页（4KB）给你，而不是一下子分配256个物理页。

3. 操作系统如何保证总有物理内存？——交换（Swapping）

现在回到你的核心问题：如果所有进程都在疯狂申请内存并访问，物理内存终究会不够用的，怎么办？

这时，操作系统的另一个核心机制就登场了：交换（Swapping）。

当物理内存紧张时，操作系统内核的页面置换算法（如LRU，最近最少使用）会开始工作：

  1. 选出“牺牲”页：算法会找出最近最少使用的一些物理内存页。
  2. 写入交换空间：如果这个页的内容是从磁盘上的可执行文件映射来的（如代码段），且没有被修改过，直接丢弃即可（需要时再从文件读回来）。如果页的内容被修改过（是“脏”的），内核会将其内容写入到磁盘上专门的交换分区（Swap Partition） 或交换文件（Swap File） 中。
  3. 释放物理页：将这个物理页标记为空闲，可以分配给新的缺页中断使用。
  4. 修改页表：将原来映射到这个物理页的进程的页表项标记为“无效”，并记录“这个页的内容现在在磁盘的XX位置”。

当进程之后又访问到那个被换出的页面时，会再次触发缺页中断。这次，操作系统的处理程序会发现这个页不在内存中而在磁盘上，于是会：

  1. 找到一个空闲的物理页。
  2. 从磁盘的交换空间中将数据读回这个物理页。
  3. 更新页表，建立映射。
  4. 然后让进程继续执行。

通过这种“交换”机制，操作系统将物理内存和磁盘空间结合了起来，使得虚拟内存空间看起来几乎是无限的（64位系统尤其如此）。只要磁盘上的交换空间足够，malloc 就能一直成功返回虚拟地址。

总结

步骤 malloc 的角色 操作系统内核的角色
申请内存 在进程的虚拟地址空间中划定一块区域，返回起始地址。不涉及物理内存。 记录虚拟地址范围已被占用，但页表映射为“无效”。
使用内存 程序对返回的地址进行读写。 触发缺页中断。内核分配物理页，建立映射，然后让程序继续。
内存不足 无感知，继续在虚拟地址空间工作。 启动交换机制，将不常用的物理页内容写到磁盘，腾出空间给新的缺页中断。

所以，你不需要担心物理内存是否足够。你只需要知道：

  1. malloc 几乎总是会成功（除非你的虚拟地址空间都用光了，这在32位程序中是可能的，但在64位程序中极难发生）。
  2. 只有在真正使用这些内存时，系统才会背后为你分配物理资源。
  3. 如果整个系统（物理内存+交换空间）都耗尽了，malloc 会失败返回 NULL，或者操作系统会杀死某些进程来释放内存（Linux 中的 OOM Killer）。但这种情况通常意味着系统已经配置不当或负载极重。
posted @ 2025-08-26 22:10  最爱丁珰  阅读(17)  评论(0)    收藏  举报