静态内存可以延迟分配吗？答案

【问题标题】：Can static memory be lazily allocated?静态内存可以延迟分配吗？
【发布时间】：2018-06-18 02:02:48
【问题描述】：

在 C 程序中有一个静态数组：

#define MAXN (1<<13)
void f() {
    static int X[MAXN];
    //...
}

Linux 内核能否选择在实际使用每个页面之前不将地址映射到物理内存？那么X怎么可能全是0，访问每一页时内存是否归零呢？这如何不影响程序的性能？

【问题讨论】：

静态内存进入.data 部分，其初始内容存在于可执行文件中。加载器处理这个，而不是内核。
听起来你想要的是mmap，在Linux中带有MAP_ANONYMOUS标志，它会延迟加载。它可能无法 100% 移植到各种 Unix 版本，但它基本上可以满足您的需求。请参阅this Linux memory FAQ 了解更多信息，尤其是“什么是匿名映射？”的答案，以及Linux mmap man page 或更友好的GNU Libc docs on mmap。
@ignacio：没有初始化器的静态变量需要进行零初始化。在 Unix 系统上，这通常是通过将它们放入 .bss 段而不是数据段来完成的。 .bss 段的内容是隐含的，因此不是可执行文件的一部分。（只有长度存在。）
对，就是这个意思>_>
如果您碰巧没有访问阵列的大部分，性能会受到良好的影响。

标签： c linux memory

【解决方案1】：

Linux 内核能否选择在实际使用每个页面之前不将地址映射到物理内存？

是的，它对所有内存都执行此操作（驱动程序和内核本身使用的特殊内存除外）。

那X怎么可能全是0，每页访问时内存是否归零？

你应该忽略这个细节。只要你访问的时候内存是全零的，我们就说它全是零。

这对程序的性能有何影响？

确实如此。

【讨论】：

“你应该忽略这个细节” 但这是问题的有趣部分，因为 C 标准规定所有具有静态存储持续时间的对象都必须在调用 main() 之前初始化。除此之外，C 没有任何限制。
@Lundin：两个词（或 3 个？）：as-if 规则。
@Lundin 初始化意味着什么？
@immibis 在这种情况下设置为零。例如，假设我知道 .bss/.data 的整个假定内存布局，因此决定访问存储静态变量的内存区域，方法是执行类似 printf("%d", (int*)0x12345678); 的操作，其中 0x12345678 是 static int foo; 的地址。然后将发生的一切都是实现定义的，C 标准没有涵盖。但是，由于 C 标准确实保证在调用 main 之前初始化静态变量，因此假设上面的示例将打印 0 是很有意义的。
所有的静态对象都会被初始化。我们知道这种情况已经发生，因为您可以随时读取它们并读取它们的初始值（或最后写入的值）。惰性内存分配实际上并没有进入它。

【解决方案2】：

Linux 内核能否选择在实际使用每个页面之前不将地址映射到物理内存？

是的，使用用户空间内存总是可以完成的。

那X怎么可能全是0，每页访问时内存是否归零？

内核维护一个全0的页面，当用户请求静态数组的新页面（静态因此在第一次使用前全为0），内核提供零页面，程序没有写入权限。写入数组会触发写时复制机制：发生页面错误，内核然后分配一个可写页面，映射它并从最后一条指令（由于页面而无法完成的指令）恢复程序过错）。请注意，预置零优化在这里改变了实现细节，但原理是一样的。

这对程序的性能有何影响？

程序不必在启动时（可能）将大量页面归零，内核实际上也不必拥有内存（只要您不这样做，就可以要求比系统获得更多的内存不要使用它）。程序执行过程中会产生页面错误，但可以将其最小化，参见mmap() 和madvise() 和MADV_SEQUENTIAL。请记住，Translation Lookaside Buffer 不是无限的，它可以维护很多条目。

来源：A linux memory FAQ、Introduction to Memory Management in Linux by Alan Ott

【讨论】：