C程序中malloc分配内存后，系统可用内存为何未明显下降？

我想要编写一个每秒分配一段内存的C程序，模拟内存不足（OOM）场景（故意不释放内存），并输出剩余可用内存。以下是Linux平台的程序代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    size_t mbs = 500 * 1000000; // 500mb

    while(true) {
        sleep(1);

        void* tmp = malloc(mbs);

        system("free");
    }
    
    return 0;
}

调用system执行free命令查看可用内存，我预期可用内存每秒减少500MB，但实际约32GB内存中可用内存始终维持在25GB左右，尝试10MB、100MB分配量结果一致。Windows平台类似程序也出现相同现象：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>

int main() {
    size_t mbs = 500 * 1000000; // 500mb

    while(true) {
        Sleep(2);

        void* tmp = malloc(mbs);

        system("systeminfo |find \"Available Physical Memory\"");
    }
    
    return 0;
}

为何未观察到内存消耗的下降？

核心原因：虚拟内存与写时复制机制 #

你的程序仅调用malloc（Windows底层对应HeapAlloc），但并未对分配的内存块执行实际写入操作。现代操作系统采用虚拟内存管理和**写时复制（Copy-On-Write, COW）**机制：

• malloc只是向操作系统申请了虚拟地址空间，内核不会立即分配实际物理内存；
• 只有当进程首次向该虚拟地址空间写入数据时，内核才会真正分配物理页帧并完成映射。

free（Linux）或systeminfo（Windows）显示的是已占用的物理内存，而非进程持有的虚拟内存空间，因此你无法观察到预期的内存消耗下降。

解决方法：触发物理内存分配 #

要让系统真正分配物理内存，需对malloc返回的指针指向的内存执行写入操作，例如用memset填充整个内存块：

Linux 修改后代码 #

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main() {
    size_t mbs = 500 * 1000000; // 500mb

    while(1) {
        sleep(1);

        void* tmp = malloc(mbs);
        if (tmp == NULL) {
            perror("malloc failed");
            break;
        }
        // 写入内存触发物理页分配
        memset(tmp, 0, mbs);

        system("free");
    }
    
    return 0;
}

Windows 修改后代码 #

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <string.h>

int main() {
    size_t mbs = 500 * 1000000; // 500mb

    while(1) {
        Sleep(2);

        void* tmp = malloc(mbs);
        if (tmp == NULL) {
            printf("malloc failed\n");
            break;
        }
        // 写入内存触发物理页分配
        memset(tmp, 0, mbs);

        system("systeminfo |find \"Available Physical Memory\"");
    }
    
    return 0;
}

额外说明 #

• 务必添加内存分配失败判断：当物理内存耗尽时，malloc会返回NULL，此时终止循环避免无效申请；
• Linux下可通过top或ps aux查看进程的虚拟内存（VSZ）和物理内存（RSS），RSS会随写入操作增长；Windows下可在任务管理器查看进程的「工作集（Working Set）」。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者TheMemeMachine