Linux中为何仅写操作不分配物理RAM，读写结合操作才分配？

问题背景 #

在Linux 5.4（aarch64架构）下，使用gcc 6.3.1编译以下代码时发现：

• 使用ptr[i] += 1（先读后写）会触发物理RAM分配
• 使用ptr[i] = 1（仅写操作）则不会分配物理RAM

int main(int argc, char *argv[])
{
    long size;
    long size_bytes;
    char *ptr;

    size = strtol(argv[1], NULL, 0);
    size_bytes = size * 1024 * 1024;
    ptr = malloc(size_bytes);
    if (!ptr)
        goto exit;

    // 将内存标记为脏页以分配实际物理RAM
    for (int i = 0; i < size_bytes; i += sysconf(_SC_PAGESIZE))
        ptr[i] += 1; // 可正常分配物理RAM
        //ptr[i] = 1; // 不会分配物理RAM

    while(1)
        sleep(1);

exit:
    free(ptr);
    return 0;
}

核心原因：编译器优化导致仅写操作被丢弃 #

1. malloc内存的初始状态 #

malloc分配的大内存（超过默认阈值128KB时）会通过mmap创建匿名虚拟映射，此时虚拟地址已分配，但未关联实际物理RAM——内核采用「需求分页」策略，仅当虚拟页被首次访问时才分配物理页。

2. 编译器对无用写操作的优化 #

gcc会分析代码的实际副作用：

• 对于ptr[i] = 1：程序后续没有读取或使用ptr指向的内存，编译器判定这个写操作是「无意义的冗余操作」，直接在编译阶段删除了整个循环。没有循环执行，自然不会触发任何虚拟页访问，也就不会分配物理RAM。
• 对于ptr[i] += 1：这个操作包含「读取ptr[i]原有值」的步骤，编译器无法完全确定该操作是否有隐藏副作用（例如，内存地址是否被其他线程或硬件访问），因此不会优化掉循环。循环执行时，每个页的首字节被访问，触发缺页异常，内核随即分配对应物理RAM并完成映射。

验证方法 #

如果想让仅写操作也触发物理RAM分配，可以通过volatile关键字阻止编译器优化：

for (int i = 0; i < size_bytes; i += sysconf(_SC_PAGESIZE))
    *(volatile char*)&ptr[i] = 1; // 强制保留写操作，触发物理页分配

此时编译器会保留循环，执行写操作时触发缺页异常，内核分配物理RAM。

补充：内核需求分页的细节 #

当虚拟页被首次访问（读/写）时，会触发缺页异常：

1. 内核检查虚拟页的状态，确认是未分配物理页的匿名映射
2. 分配物理页，将虚拟页与物理页建立映射
3. 恢复程序执行，完成读写操作

如果没有实际的内存访问（循环被优化掉），这个流程就不会启动，物理RAM自然不会被分配。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者101ful