c++ - 为什么虚拟循环会消耗内核时间？

Question

我写了这个简单无用的程序:

#include <iostream>
using namespace std;
#define TABSIZE 256*1024*1024

int main(){
    volatile int *tab = new int[TABSIZE];

    cerr << "start" << endl;
    for(int i=0;i<TABSIZE;i+=1)
        tab[i] *= i;
    cerr << "stop" << endl;

    delete []tab;
    return 0;
}

在编译它(女巫 O2)并使用 time ./a.out 运行之后，我对结果感到非常惊讶:

real    0m1,660s
user    0m0,462s
sys     0m1,177s

很明显，大部分时间花在了内核空间，即使主循环与任何系统调用无关。我可以在程序启动后立即看到字符串 start，所以 new 不会消耗太多时间。同义地，stop 出现在结束之前。

那么，问题是:为什么这么多时间花在内核空间上？我在 Linux 4.15 上使用 GCC 7.4。

Answer 1

volatile int *tab = new int[TABSIZE];

此语句分配 1 GiB 的 RAM。此数量在进程的页表中标记为已使用，但并未真正初始化或可用(页面标记为“不存在”)。

tab[i] *= i

此时，第一次访问新页面(通常为 4KiB)会导致页面错误，由内核处理，然后用零初始化内存范围并将页面标记为存在。然后，直到下一页，访问都不会出现页面错误。

这种内存管理是内核 CPU 使用的原因。