虚拟内存管理：malloc 先承诺，缺页异常再兑现

上一篇聊页表，讲的是地址怎么翻译；这一篇聊地址空间怎么管。malloc 返回一个指针的时候，物理内存一个字节都还没申请，这场「先承诺后兑现」的把戏，就是虚拟内存管理的全部工作。

1. 全景介绍

每个进程启动时都拿到一份完整的地址空间地图：代码、数据、堆、栈，各自占据一段连续地址，彼此隔开。进程以为这些内存连续、独占、随取随有，实际上这三条假设全是假的——物理内存是共享的、碎片的、按需给的。

在「进程以为的」和「实际发生的」之间站着两个角色。页表负责翻译，上一篇讲过；虚拟内存管理负责合同，这一篇讲它。

内核把进程的地址空间切成一段一段的区间，每段记着起止地址和读写执行权限，也记着背后是文件还是匿名内存，这份记录叫 VMA。进程对内存的一切要求，都以 VMA 为准：访问了没有 VMA 背书的地址，会发生段错误；访问了有背书但还没兑现的地址，发生缺页中断，内核现场兑现申请。

malloc 就是一次登记。glibc 先看自己的空闲块够不够，不够就找内核要一段新地址，内核建一个 VMA 返回。物理页一个都没动。第一次往里写数据，CPU 查页表，抛缺页异常，在缺页异常中，内核这才从伙伴系统拿一个页填进去。所以写个小测试，malloc 1GB 之后立刻看 RSS，数字几乎没动，开始 memset 才涨，就是这个原因。

这套「先承诺后兑现」换来三样东西：

• 隔离：每个进程活在独立的地址空间里，谁也影响不到谁；
• 按需：申请了不用的内存不占物理资源；
• 超售：所有进程加起来承诺的内存可以超过物理总量，赌的就是它们不会同时用满（跟航空公司一个德行）。

第三样是最激进的，也是 OOM killer 存在的理由。

2. 实际情况

先说几个现象。

• RSS 比 VSS 小一大截，不是泄漏。VSS 是承诺的总量，RSS 是实际兑现的。
• RSS 加起来比物理内存大，也不是见错误。两个进程共享同一个 libc，那个库的页在两边 RSS 里各算一次，物理上只有一份。
• mmap 一个 2GB 的文件瞬间完成，没有拷贝发生。mmap 只是登记了一段地址说「这段映射到这个文件」，真正读的时候缺页，从页缓存搬。mmap 代价小，但是第一次访问代价高。
• major fault 和 minor fault 差一个数量级。minor 是内核里补个页就完事，major 要去磁盘读。性能分析里两者要单独定位。
• malloc 很少返回 NULL，不代表内存是无限的。overcommit 打开时，内核把承诺发出去，赌大家一起用不会用尽内存；用尽后就轮到 OOM killer 按分数杀进程。

3. 核心对象

VMA 有个容易被忽略的性质：稀疏。地址空间按 64 位算大得离谱，一个进程的 VMA 通常只有几十上百个。mmap 一万个小文件就有一万个 VMA，查找和锁的压力全在这上面，maple tree 换掉红黑树就是为解决这个问题。

4. 整体模型

把一个进程的地址空间和它的 VMA 摆在一起看。

经典布局是五段：代码段和数据段在低处，堆往上涨，mmap 区在中间，栈在用户空间顶端往下长。但 VMA 视角下没有「段」，只有一条条独立的「合同」：同样是 mmap 区，libc 的映射是一段只读执行的文件映射，刚 mmap 的 2GB 数据文件是一段私有的文件映射，Java 堆是一大段匿名的读写映射。段的划分是编译器和链接器的习惯，内核眼里只有 VMA。

权限和来源是 VMA 的两条主轴。来源决定缺页时去哪拿数据：文件映射去页缓存，匿名映射找伙伴系统或 swap。权限决定怎么处置越界：写只读页和写没有 VMA 的地址都会抛异常，但内核的处理完全不同——前者可能触发 COW，后者直接 SIGSEGV。

5. 数据流

一次缺页的完整决策路径：

CPU 访问一个地址，页表无有效项，抛异常进内核。内核先拿地址查 VMA：查不到，说明这个地址从来没登记过，发 SIGSEGV，段错误。查到了，看权限对不对，往只读的合同上写，要么 COW 要么杀。都合法，再按状态分流：PTE 标着 swap entry 就换入，匿名页首次访问就分配，文件页就去页缓存，页缓存没有再发起 IO，这一下就是 major fault。补好页表，TLB 填上，重新执行那条指令。

6. 运行时流程

VMA 的生命周期贯穿进程始终。

进程创建时，fork 复制父进程的全部 VMA 和页表，写位清零，父子写时复制。谁先写谁缺页，内核补一张新页。fork 快的原因就在这——复制的是合同不是资产。

进程运行时，mmap 建合同，mprotect 改条款，madvise 递使用偏好，munmap 销毁。munmap 最贵：拆 VMA，拆区间内所有页表，再把 TLB 失效广播到每个核，上一篇写过这个成本。频繁 mmap/munmap 大块内存的程序，性能开销大头通常不在 mmap 本身，在收尾。

匿名页内存紧张时被回收，内容写进 swap，PTE 里只留一个条目。下次访问触发缺页，从 swap 换回。这一来一回的成本，就是 swappiness 调的赌注。

进程退出时，exit_mm 把整个地址空间连同 VMA、页表一起销毁，物理页归还伙伴系统，swap 条目释放。进程死了，合同清零，这就是地址空间隔离的最后保障。

7. 总结

理解虚拟内存管理，记住三条线：

1. 承诺线：malloc 和 mmap 都只是登记合同，物理内存在第一次访问时才兑现。看占用用 RSS 和 PSS，VSS 是承诺不是消耗。

2. 缺页线：缺页是机制不是故障，minor 和 major 差一个数量级。服务抖动先分缺页类型，再谈 IO。

3. 合同线：VMA 决定一切——地址有没有登记、权限对不对、缺页去哪拿数据。进程对内存的所有疑问，都由异常路径按合同裁决。