Mar 19, 2025
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malloc分配的是虚拟内存，而非物理内存。当这块虚拟内存被读写了的时候，CPU会访问这块虚拟内存，然后发现该虚拟内存没有被映射到物理内存，CPU就会产生缺页中断，进程从用户态 一> 内核态。
缺页中断处理函数（Page Fault Handler）会判断是否有空闲的物理内存，如果有，就直接分配物理内存，否则回收内存。
有两种回收内存的方式：后台内存回收（异步）、直接内存回收（如果后台回收跟不上进程内存申请的速度就会开始直接回收，这个过程是同步的，会阻塞进程执行）。
如果直接内存回收，仍旧不满足申请的内存大小，那么就会触发OOM（Out Of Memory）机制。
OOM机制会根据算法杀死一个占用物理内存最高的进程，如果还是无法满足，继续杀死进程，直到释放足够多的内存。
如何保护一个进程不被OOM杀掉呢？
Linux中通过oom_badness()对每个进程打分，得分最高的进程会被杀掉。得分机制：
oom_score_adj [-1000, 1000]我们可以通过调整校准值来防止进程被OOM杀掉。比如说设置成-1000，无论如何都不会被杀掉。但是不建议将业务程序这样设置，因为如果某个业务程序发生内存泄漏，而又无法被杀掉，那么OOM会把其他进程都杀掉了。
哪些内存会被回收？
文件页：内核缓存的文件数据（Cache）和内核缓存的磁盘数据（Buffer）都属于文件页。如果被应用程序修改过并且还没写入磁盘的数据叫做脏页。回收干净页的方式是直接释放内存，回收脏页的方式是先写回磁盘后再释放内存。
匿名页：没有磁盘这样的实际载体，比如栈和堆。这些内存不能直接释放，因为很可能会再次被访问，通过linux的Swap机制，将不常访问的写入到磁盘中再释放内存，如果需要访问，就从磁盘中读入内存。
文件页和匿名页的回收都基于LRU算法。
回收内存除了回收干净页，都会发生磁盘 I/O的，这会影响系统性能。
可以申请虚拟内存超过物理内存吗？
在32位操作系统，进程最大只能申请3GB的虚拟内存。
在64位操作系统，进程最大可以申请128TB的虚拟内存。
所以如果想在4GB的物理内存空间上直接申请8GB的虚拟内存，在32位操作系统上会申请失败，而在64位会成功。
如果有Swap分区，即使物理内存只有4GB，进程也可以正常使用8GB的内存。
LRU预读失效怎么办？
如果应用程序想读取 0 - 3KB 范围内的数据，由于磁盘基本读写单位为 block（4KB），于是操作系统至少会读 0 - 4KB 的内容，但是由于空间局部性原理（靠近当前被访问数据的数据，在未来很大概率会被访问到），所以会把[4, 8]，[8, 12]以及[12, 16]都加载到内存。
预读机制带来的好处是减少磁盘 I/O 次数，提高系统磁盘 I/O 吞吐量。
预读失效：就是这些被提前加载进来的页面没有被访问，相当于预读白做了。不会被访问的预读页却占用了 LRU 链表前排的位置，而末尾淘汰的页，可能是热点数据，这样就大大降低了缓存命中率。
想要避免预读失效，就要尽可能地保证预读的数据停留内存的时间要短，真正的热点数据尽可能久的留在内存。Linux操作系统就实现了两个LRU链表：活跃LRU链表(active_list)和非活跃LRU链表(inactive_list)。
预读页就只需要加入到 inactive list 区域的头部，当页被真正访问的时候，才将页插入 active list 的头部。
缓存污染怎么办？
虽然两个LRU链表可以解决预读失效的问题，但是还会存在缓存污染的问题。当批量读取数据时，如果数据被访问了一次就加入到LRU中，那么活跃链表中会一下子淘汰了很多热点数据，而那些被新加入的数据很长一段时间不会被访问，导致了整个LRU活跃链表被污染。等到下一次读到那些热点数据的时候，一下子发生了很多次磁盘I/O，性能急剧下降。
所以要想避免缓存污染，需要提高数据加入到活跃链表的门槛，保证在活跃链表中的数据不会被轻易替换掉。Linux操作系统中，当内存页被访问第二次才会将页从非活跃链表加入到活跃链表。
malloc(1024)是否会立刻占用物理内存？
不会，malloc仅修改进程的堆指针（通过brk和mmap），在虚拟地址空间中划出区域，物理内存尚未分配。当首次访问该内存时会触发缺页中断（page fault），然后内核才会分配物理页帧并建立页表映射。
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