malloc申请的内存能是虚拟内存吗，也就是申请的一块新的空间，刚申请就缺页吗？
在我看来，`malloc` 申请的内存，从概念上讲，不是直接等同于物理内存，但它最终会映射到物理内存（或者更准确地说，是可用的内存资源，这可能包括物理 RAM 和页面文件）。至于刚申请就缺页，这几乎是不太可能发生，除非系统极端不正常，或者你申请的内存量非常巨大，超出了系统当前的可用空闲物理内存。
让我来给你详细剖析一下这个过程：
`malloc` 是怎么回事？它要的是什么？
`malloc` (memory allocation) 是 C 语言标准库提供的一个函数，它的作用是在程序运行时动态地从堆 (heap) 中分配一块指定大小的内存。这里的“堆”是你程序可用的一个内存区域，它与你的程序代码、全局变量所在的静态区、栈（函数调用时的局部变量和返回地址）等是分开的。
当你调用 `malloc(size)` 时，你实际上是在向操作系统发出一个请求：“嘿，操作系统，我需要 `size` 字节的内存空间。”
操作系统是如何响应 `malloc` 的？
操作系统是内存管理的真正掌控者。它有一套复杂的机制来管理系统的所有内存资源，包括物理内存（RAM）和辅助存储设备上的交换空间（页面文件，page file）。
1. 内存管理单元 (MMU) 和虚拟内存： 现代操作系统都使用了虚拟内存技术。这意味着你的程序并不能直接访问物理内存地址。相反，操作系统为每个进程都维护了一个独立的虚拟地址空间。这个虚拟地址空间是一个连续的、庞大的地址范围。程序看到的地址（虚拟地址）实际上是由操作系统通过页表 (page table) 映射到物理内存地址（物理地址）的。
2. 内存分配的两个阶段：
虚拟地址空间的预留（或分配）： 当你调用 `malloc` 时，操作系统首先要做的是在你的进程的虚拟地址空间中“标记”出这么大一块空间是属于你的，并且操作系统需要为你管理它。这通常是通过 `sbrk()` (Unixlike 系统) 或 `VirtualAlloc()` (Windows) 等系统调用来实现的。这些系统调用会更新进程的内存映射信息。这个阶段，并没有真正动用物理内存。 操作系统只是在你的虚拟地址空间里划了一块“地盘”，并且记录下这块地盘的虚拟地址范围。
物理内存的实际分配： 直到你的程序第一次尝试访问这块新分配的虚拟内存区域时，操作系统才会介入。
那么，“缺页”是怎么发生的？
“缺页 (page fault)” 是虚拟内存系统中的一个核心概念。当你的程序尝试访问一个虚拟地址，而这个虚拟地址对应的物理内存页尚未被加载到物理 RAM 中时（例如，它可能还在磁盘的页面文件中，或者根本就没有分配物理页面），就会发生缺页中断。
当缺页中断发生时：
1. CPU 暂停当前指令的执行。
2. 操作系统接管，它知道哪个虚拟页发生了缺页。
3. 操作系统根据页表查找这个虚拟页对应的物理页面。
4. 如果该页面存在于磁盘（如页面文件）中，操作系统会从磁盘读取该页面到物理 RAM 中的一个空闲页框。
5. 如果 RAM 中没有空闲页框，操作系统可能会选择一个当前正在使用的页面，将其内容写回磁盘（如果被修改过），然后将该页框腾出来。
6. 更新页表，将虚拟地址映射到新的物理地址。
7. 恢复 CPU，重新执行引起缺页的那条指令。
`malloc` 刚申请就缺页吗？
绝大多数情况下，不会。
当你调用 `malloc(size)` 时，操作系统只是在你的虚拟地址空间里进行了一次逻辑上的预留。它更新了你的进程的内存描述符（例如，在 Unixlike 系统中是 `vm_area_struct`），将从 `ptr` 到 `ptr + size` 的这段虚拟地址范围标记为“已分配”，并且通常设置为“可写”。
但是，操作系统并没有立即为你分配物理内存页面，也没有将这些虚拟页映射到任何物理页框。 操作系统采取的是一种延迟分配 (demand paging) 的策略。这样做的好处是：
节省物理内存： 如果你分配了大量的内存，但其中只有一小部分被真正使用，那么只为使用的部分分配物理内存可以显著提高系统的内存利用率。
提高分配速度： 立即分配和映射物理内存是一个相对耗时的操作。通过延迟，`malloc` 本身可以非常快速地返回。
因此，当你调用 `malloc` 之后，你得到的是一个指向一块“标记为可用”的虚拟内存地址。在你第一次写入或读取这个地址区域的任何位置时，才会触发一次缺页中断。此时，操作系统才会根据需要，为你分配真实的物理内存页面，并完成虚拟地址到物理地址的映射。
什么时候可能发生“刚申请就缺页”的特殊情况？
1. 内存极度紧张： 如果系统内存（物理 RAM）非常非常紧张，操作系统在响应 `malloc` 过程中，如果其内部的内存管理策略（例如，为了预先为未来的访问做准备，或者因为某些库函数底层实现）尝试立即“触碰”这块内存，并且没有可用的物理页框，那么就可能发生缺页。但这种情况非常罕见，而且通常不是 `malloc` 本身直接导致的，而是其内部的某些行为。
2. 申请的内存量巨大： 如果你一次性申请的内存量极其巨大，远远超过了系统当前可用的空闲物理内存，那么操作系统在进行内存映射（即使是虚拟地址空间的映射）时，可能会触发一些更底层的分配逻辑，但通常也还是以虚拟地址预留为主，直到访问。
3. 使用了 `MAP_POPULATE` (Linux): 在 Linux 系统中，`mmap` 函数（`malloc` 的底层可能依赖于 `mmap` 或 `sbrk`）有一个特殊的标志 `MAP_POPULATE`。如果使用了这个标志，操作系统会立即为你分配物理页面并进行映射，这确实会在 `mmap` 调用（或其上层 `malloc` 调用，如果 `malloc` 是这么实现的）的执行期间就发生缺页（如果是为了填充页面）或者分配物理页框。但这并不是 `malloc` 的默认行为，而是显式要求的。
总结一下
`malloc` 申请的是一块虚拟内存的地址空间。
这个过程只是操作系统在你的进程的虚拟地址空间里进行了一次逻辑上的预留，并没有立即分配物理内存。
缺页中断发生在程序第一次访问这块内存时（通常是写入操作），由操作系统负责分配和映射物理内存。
因此，刚申请 `malloc` 的内存就发生缺页，在正常的系统环境下，几乎是不可能的，除非使用了特殊的标志（如 `MAP_POPULATE`）或者系统处于极端内存压力状况下，并且底层实现有特殊操作。
希望这解释得足够详细和清晰了。
让我来给你详细剖析一下这个过程：
`malloc` 是怎么回事？它要的是什么？
`malloc` (memory allocation) 是 C 语言标准库提供的一个函数，它的作用是在程序运行时动态地从堆 (heap) 中分配一块指定大小的内存。这里的“堆”是你程序可用的一个内存区域，它与你的程序代码、全局变量所在的静态区、栈（函数调用时的局部变量和返回地址）等是分开的。
当你调用 `malloc(size)` 时，你实际上是在向操作系统发出一个请求：“嘿，操作系统，我需要 `size` 字节的内存空间。”
操作系统是如何响应 `malloc` 的？
操作系统是内存管理的真正掌控者。它有一套复杂的机制来管理系统的所有内存资源，包括物理内存（RAM）和辅助存储设备上的交换空间（页面文件，page file）。
1. 内存管理单元 (MMU) 和虚拟内存： 现代操作系统都使用了虚拟内存技术。这意味着你的程序并不能直接访问物理内存地址。相反，操作系统为每个进程都维护了一个独立的虚拟地址空间。这个虚拟地址空间是一个连续的、庞大的地址范围。程序看到的地址（虚拟地址）实际上是由操作系统通过页表 (page table) 映射到物理内存地址（物理地址）的。
2. 内存分配的两个阶段：
虚拟地址空间的预留（或分配）： 当你调用 `malloc` 时，操作系统首先要做的是在你的进程的虚拟地址空间中“标记”出这么大一块空间是属于你的，并且操作系统需要为你管理它。这通常是通过 `sbrk()` (Unixlike 系统) 或 `VirtualAlloc()` (Windows) 等系统调用来实现的。这些系统调用会更新进程的内存映射信息。这个阶段，并没有真正动用物理内存。 操作系统只是在你的虚拟地址空间里划了一块“地盘”，并且记录下这块地盘的虚拟地址范围。
物理内存的实际分配： 直到你的程序第一次尝试访问这块新分配的虚拟内存区域时，操作系统才会介入。
那么，“缺页”是怎么发生的？
“缺页 (page fault)” 是虚拟内存系统中的一个核心概念。当你的程序尝试访问一个虚拟地址，而这个虚拟地址对应的物理内存页尚未被加载到物理 RAM 中时（例如，它可能还在磁盘的页面文件中，或者根本就没有分配物理页面），就会发生缺页中断。
当缺页中断发生时：
1. CPU 暂停当前指令的执行。
2. 操作系统接管，它知道哪个虚拟页发生了缺页。
3. 操作系统根据页表查找这个虚拟页对应的物理页面。
4. 如果该页面存在于磁盘（如页面文件）中，操作系统会从磁盘读取该页面到物理 RAM 中的一个空闲页框。
5. 如果 RAM 中没有空闲页框，操作系统可能会选择一个当前正在使用的页面，将其内容写回磁盘（如果被修改过），然后将该页框腾出来。
6. 更新页表，将虚拟地址映射到新的物理地址。
7. 恢复 CPU，重新执行引起缺页的那条指令。
`malloc` 刚申请就缺页吗？
绝大多数情况下，不会。
当你调用 `malloc(size)` 时，操作系统只是在你的虚拟地址空间里进行了一次逻辑上的预留。它更新了你的进程的内存描述符（例如，在 Unixlike 系统中是 `vm_area_struct`），将从 `ptr` 到 `ptr + size` 的这段虚拟地址范围标记为“已分配”，并且通常设置为“可写”。
但是，操作系统并没有立即为你分配物理内存页面，也没有将这些虚拟页映射到任何物理页框。 操作系统采取的是一种延迟分配 (demand paging) 的策略。这样做的好处是：
节省物理内存： 如果你分配了大量的内存，但其中只有一小部分被真正使用，那么只为使用的部分分配物理内存可以显著提高系统的内存利用率。
提高分配速度： 立即分配和映射物理内存是一个相对耗时的操作。通过延迟，`malloc` 本身可以非常快速地返回。
因此，当你调用 `malloc` 之后，你得到的是一个指向一块“标记为可用”的虚拟内存地址。在你第一次写入或读取这个地址区域的任何位置时，才会触发一次缺页中断。此时，操作系统才会根据需要，为你分配真实的物理内存页面，并完成虚拟地址到物理地址的映射。
什么时候可能发生“刚申请就缺页”的特殊情况？
1. 内存极度紧张： 如果系统内存（物理 RAM）非常非常紧张，操作系统在响应 `malloc` 过程中，如果其内部的内存管理策略（例如，为了预先为未来的访问做准备，或者因为某些库函数底层实现）尝试立即“触碰”这块内存，并且没有可用的物理页框，那么就可能发生缺页。但这种情况非常罕见，而且通常不是 `malloc` 本身直接导致的，而是其内部的某些行为。
2. 申请的内存量巨大： 如果你一次性申请的内存量极其巨大，远远超过了系统当前可用的空闲物理内存，那么操作系统在进行内存映射（即使是虚拟地址空间的映射）时，可能会触发一些更底层的分配逻辑，但通常也还是以虚拟地址预留为主，直到访问。
3. 使用了 `MAP_POPULATE` (Linux): 在 Linux 系统中，`mmap` 函数（`malloc` 的底层可能依赖于 `mmap` 或 `sbrk`）有一个特殊的标志 `MAP_POPULATE`。如果使用了这个标志，操作系统会立即为你分配物理页面并进行映射，这确实会在 `mmap` 调用（或其上层 `malloc` 调用，如果 `malloc` 是这么实现的）的执行期间就发生缺页（如果是为了填充页面）或者分配物理页框。但这并不是 `malloc` 的默认行为，而是显式要求的。
总结一下
`malloc` 申请的是一块虚拟内存的地址空间。
这个过程只是操作系统在你的进程的虚拟地址空间里进行了一次逻辑上的预留，并没有立即分配物理内存。
缺页中断发生在程序第一次访问这块内存时（通常是写入操作），由操作系统负责分配和映射物理内存。
因此，刚申请 `malloc` 的内存就发生缺页，在正常的系统环境下，几乎是不可能的，除非使用了特殊的标志（如 `MAP_POPULATE`）或者系统处于极端内存压力状况下，并且底层实现有特殊操作。
希望这解释得足够详细和清晰了。
网友意见
malloc申请了一块内存，这块内存本身不在物理内存得地址范围之内，需要经过缺页中断以后从硬盘上调？
或者malloc申请的内存块的地址必须位于物理内存上？
除非你用的是不支持虚地址的嵌入式环境，否则你申请的内存都是虚地址，跟物理内存没什么关系。
至于虚地址是不是有物理内存对应，看OS实现，也看你申请的内存大小。
一般来说，对于malloc：
VC里，申请小内存一般都直接给你可用的内存。
GCC里，申请大内存不一定给你可用的内存。
当然，VC也可以申请内存但不占用物理内存（用别的API），GCC有时候也可以申请那种直接就可以用的物理内存（API不记得是什么了）。
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