在 4GB 物理内存的机器上，申请 8G 内存会怎么样？

àì夳堔傛蜴生んèń 2024-02-05 22:09 32阅读 0赞

这个问题要考虑三个前置条件：

*  操作系统是 32 位的，还是 64 位的？
 *  申请完 8G 内存后会不会被使用？
 *  操作系统有没有使用 Swap 机制？

首先，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：

1.  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。
2.  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 (opens new window)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还是64 ###

另外，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：

1.  `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；
2.  `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。

**32 位操作系统**

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 内存的话，在申请虚拟内存阶段就会失败

**64位操作系统**

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。

### 有没有swap ###

> **什么是 Swap 机制？**
> 
> 当系统的物理内存不够用的时候，就需要将物理内存中的一部分空间释放出来，以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自一些很长时间没有什么操作的程序，这些被释放的空间会被临时保存到磁盘，等到那些程序要运行时，再从磁盘中恢复保存的数据到内存中。另外，当内存使用存在压力的时候，会开始触发内存回收行为，会把这些不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存就可以了。
> 
> 将内存数据换出磁盘，又从磁盘中恢复数据到内存的过程，就是 Swap 机制负责的。
> 
> Swap 就是把一块磁盘空间或者本地文件，当成内存来使用，它包含换出和换入两个过程：
> 
> 1.  换出（Swap Out） ，是把进程暂时不用的内存数据存储到磁盘中，并释放这些数据占用的内存；
> 2.  换入（Swap In），是在进程再次访问这些内存的时候，把它们从磁盘读到内存中来；
> 
> **Linux 中的 Swap 机制会在内存不足和内存闲置的场景下触发：**
> 
> 1.  内存不足：当系统需要的内存超过了可用的物理内存时，内核会将内存中不常使用的内存页交换到磁盘上为当前进程让出内存，保证正在执行的进程的可用性，这个内存回收的过程是强制的直接内存回收（Direct Page Reclaim）。直接内存回收是同步的过程，会阻塞当前申请内存的进程。
> 2.  内存闲置：应用程序在启动阶段使用的大量内存在启动后往往都不会使用，通过后台运行的守护进程（kSwapd），我们可以将这部分只使用一次的内存交换到磁盘上为其他内存的申请预留空间。kSwapd 是 Linux 负责页面置换（Page replacement）的守护进程，它也是负责交换闲置内存的主要进程，它会在[空闲内存低于一定水位 (opens new window)][_opens new window]时，回收内存页中的空闲内存保证系统中的其他进程可以尽快获得申请的内存。kSwapd 是后台进程，所以回收内存的过程是异步的，不会阻塞当前申请内存的进程。
> 
> **Swap 换入换出的是什么类型的内存？**
> 
> 内核缓存的文件数据，因为都有对应的磁盘文件，所以在回收文件数据的时候， 直接写回到对应的文件就可以了。但是像进程的堆、栈数据等，它们是没有实际载体，这部分内存被称为匿名页。而且这部分内存很可能还要再次被访问，所以不能直接释放内存，于是就需要有一个能保存匿名页的磁盘载体，这个载体就是 Swap 分区。
> 
> **swap的优缺点**
> 
> 使用 Swap 机制优点是，应用程序实际可以使用的内存空间将远远超过系统的物理内存。由于硬盘空间的价格远比内存要低，因此这种方式无疑是经济实惠的。当然，频繁地读写硬盘，会显著降低操作系统的运行速率，这也是 Swap 的弊端。

使用`free -m`命令查看有没有swap分区

**没有开启 Swap 机制**

当申请完，使用们memset函数访问的时候，超过了机器的物理内存（2GB），进程（test）被操作系统杀掉了。

通过`var/log/message`可以看到报错了 Out of memory，也就是发生 OOM（内存溢出错误）。

> 什么是 OOM?
> 
> 内存溢出(Out Of Memory，简称OOM)是指应用系统中存在无法回收的内存或使用的内存过多，最终使得程序运行要用到的内存大于能提供的最大内存。此时程序就运行不了，系统会提示内存溢出。

**开启 Swap 机制**

在有 Swap 分区的情况下，即使笔记本物理内存是 8 GB，申请并使用 32 GB 内存是没问题，程序正常运行了，并没有发生 OOM。

但是磁盘 I/O 达到了一个峰值，非常高

> 有了 Swap 分区，是不是意味着进程可以使用的内存是无上限的？
> 
> 当然不是，我把上面的代码改成了申请 64GB 内存后，当进程申请完 64GB 虚拟内存后，使用到 56 GB （这个不要理解为占用的物理内存，理解为已被访问的虚拟内存大小，也就是在物理内存呆过的内存大小）的时候，进程就被系统 kill 掉了，当系统多次尝试回收内存，还是无法满足所需使用的内存大小，进程就会被系统 kill 掉了，意味着发生了 OOM

[_opens new window]: https://xiaolincoding.com/os/3_memory/mem_reclaim.html#%E5%B0%BD%E6%97%A9%E8%A7%A6%E5%8F%91-kSwapd-%E5%86%85%E6%A0%B8%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%BC%82%E6%AD%A5%E5%9B%9E%E6%94%B6%E5%86%85%E5%AD%98