來源：微信公眾號：cpp軟件架構獅
要想回答這個問題，就得刨根問底，內存到底是怎樣分配的？
在內核態的角度來看，進程需要分配內存的方式有兩種：brk和mmap這兩個系統調用。
- brk是數據段的最高地址指針_edata往高地址增長；
- mmap是建立了頁到用戶進程的虛擬空間映射，在進程的虛擬地址空間中，堆和棧之間的大空間中找一塊空閑的地址。
這兩種方式分配到的都是虛擬內存，并還沒有分配真正的物理地址。會在第一次訪問的時候，內核判斷有沒有物理地址，如果沒有回發生缺頁中斷，然后分配物理地址，建立虛擬地址和物理地址之間的映射關系。
但在用戶態申請動態內存，是不會直接調用這兩個系統調用接口。一般情況下是通過C庫的malloc/free來申請和釋放。而C庫的實現也正是基于這兩個系統調用接口，進行上層的封裝和管理。
當內核發生缺頁中斷的時候，到底會做哪些事情呢？
首先進程會從用戶態陷入到內核態運行，會執行以下步驟：
- 檢查需要訪問的虛擬地址是否合法；
- 查找，分配物理頁；
- 填充物理頁的內容；
- 建立映射關系（虛擬地址->物理地址）；
重新執行發生缺頁中斷的那條指令。
如果第3步，需要讀取磁盤，那么這次缺頁中斷就是majflt，否則就是minflt。
注意：
用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。
majflt代表major fault，中文名叫主錯誤，minflt代表minor fault，中文名叫次錯誤。
這兩個數值表示一個進程自啟動以來所發生的缺頁中斷的次數。
下面我們用實例來解釋下內存申請的原理
情況一、malloc小于128k的內存，使用brk分配內存，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應物理內存(因此沒有初始化)，第一次讀/寫數據時，引起內核缺頁中斷，內核才分配對應的物理內存，然后虛擬地址空間建立映射關系)，如下圖：
1、進程啟動的時候，其（虛擬）內存空間的初始布局如第一幅圖所示。其中，mmap內存映射文件是在堆和棧的中間（例如libc-2.2.93.so，其它數據文件等），為了簡單起見，省略了內存映射文件。_edata指針（glibc里面定義）指向數據段的最高地址。
2、進程調用A=malloc(30K)以后，內存空間如第二幅圖：malloc函數會調用brk系統調用，將_edata指針往高地址推30K，就完成虛擬內存分配。你可能會問：只要把_edata+30K就完成內存分配了？
事實是這樣的，_edata+30K只是完成虛擬地址的分配，A這塊內存現在還是沒有物理頁與之對應的，等到進程第一次讀寫A這塊內存的時候，發生缺頁中斷，這個時候，內核才分配A這塊內存對應的物理頁。也就是說，如果用malloc分配了A這塊內容，然后從來不訪問它，那么，A對應的物理頁是不會被分配的。
3、進程調用B=malloc(40K)以后，內存空間如第三幅圖。
情況二、malloc大于128k的內存，使用mmap分配內存，在堆和棧之間找一塊空閑內存分配(對應獨立內存，而且初始化為0)，如下圖：
4、進程調用C=malloc(200K)以后，內存空間第一幅圖：默認情況下，malloc函數分配內存，如果請求內存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調節），那就不是去推_edata指針了，而是利用mmap系統調用，從堆和棧的中間分配一塊虛擬內存。
這樣子做主要是因為:brk分配的內存需要等到高地址內存釋放以后才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的，這就是內存碎片產生的原因，什么時候緊縮看下面），而mmap分配的內存可以單獨釋放。
當然，還有其它的好處，也有壞處，再具體下去，有興趣的同學可以去看glibc里面malloc的代碼了。
5、進程調用D=malloc(100K)以后，內存空間如圖5；
6、進程調用free(C)以后，C對應的虛擬內存和物理內存一起釋放。
7、進程調用free(B)以后，如第一幅圖所示：B對應的虛擬內存和物理內存都沒有釋放，因為只有一個_edata指針，如果往回推，那么D這塊內存怎么辦呢？
當然，B這塊內存，是可以重用的，如果這個時候再來一個40K的請求，那么malloc很可能就把B這塊內存返回回去了。
8、進程調用free(D)以后，如第二幅圖所示：B和D連接起來，變成一塊140K的空閑內存。
9、默認情況下：當最高地址空間的空閑內存超過128K（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調節）時，執行內存緊縮操作（trim）。在上一個步驟free的時候，發現最高地址空閑內存超過128K，于是內存緊縮，變成第三幅圖所示。
如果這個時候我們想要申請一塊50K的內存E，就會出現下圖的情況。
有沒有發現，并沒有從中間40K的內存分配，因為不滿足我們申請50K大小的要求，而是向下偏移指針_edata分配50K，到這里就能發現就產生了內存碎片，這塊碎片正是那40K。
系統運行的越久，出現上述這樣的情況越多，整個系統的小內存就會很多，導致的結果是：查看系統的剩余內存比較可觀，但申請大塊內存會返回失敗。
