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内存分配
C++ 中内存分配使用operator new，其底层为malloc的封装，这里着重讲malloc
状态解析
内核态
当CPU执行操作系统代码时就处于内核态，在内核态下CPU可以执行任何机器指令、访问所有地址空间、不受限制的访问任何硬。
可以简单的认为内核态就是“天界”，在这里的代码(操作系统代码)无所不能。
用户态
当CPU执行我们写的“普通”代码(非操作系统、驱动程序员)时就处于用户态，粗糙的划分方法就是除了操作系统之外的代码，就像我们写的 HelloWorld 程序。
用户态就好比“人界”，在用户态我们的代码处处受限，不能直接访问硬件、不能访问特定地址空间，否则神仙(操作系统)直接将你kill掉，这就是著名的Segmentation fault、不能执行特权指令，等等。
跨界
普通程序永远也去不了内核态，只能以通信的方式从用户态往内核态传递信息。 操作系统为普通程序员留了一些特定的暗号，这些暗号就和普通函数一样，程序员通过调用这些暗号就能向操作系统请求服务了，这些像普通函数一样的暗号就被称为系统调用，System Call，通过系统调用我们可以让操作系统代替我们完成一些事情，像打开文件、网络通信等等。
标准库
虽然我们可以通过系统让操作系统替我们完成一些特定任务，但这些系统调用都是和操作系统强相关的，Linux和Windows的系统调用就完全不同。
这就引入了标准库，从分层的角度，我们的程序一般都是这个结构：
最上层是应用程序，应用程序一般只和标准库打交道（当然，也可以绕过他），标准库通过系统调用和操作系统交互，操作系统管理底层硬件。
我们分配内存时使用的malloc函数其实不是实现在操作系统里的，而是在标准库中实现的。
步骤
- 程序调用malloc申请内存，注意malloc实现在标准库中；
- malloc开始搜索空闲内存块，如果能找到一块大小合适的就分配出去，前两个步骤都是发生在用户态；
- 如果malloc没有找到空闲内存块那么就像操作系统发出请求来增大堆区，这是通过系统调用brk(sbrk、mmap也可以)实现的，注意，brk是操作系统的一部分，因此当brk开始执行时，此时就进入内核态了。brk增大进程的堆区后返回，malloc的空闲内存块增加，此时malloc又一次能找到合适的空闲内存块然后分配出去。
但是！
上述过程根本就没有涉及到哪怕一丁点物理内存！！！
我们确实向 malloc 申请到内存了，malloc 不够也确实从操作系统申请到内存了，但这些内存都不是真的物理内存。
实际上，进程看到的内存都是假的，是操作系统给进程的一个幻象，这个幻象就是由著名的虚拟内存系统来维护的，我们经常说的这张图就是进程的虚拟内存。
所谓虚拟内存就是假的、不是真正的物理内存，虚拟内存是给进程用的，操作系统维护了虚拟内存到物理内存的映射，当malloc返回后，程序员申请到的内存就是虚拟内存。注意，此时操作系统根本就没有真正的分配物理内存，程序员从malloc拿到的内存目前还只是一张空头支票。 那么这张空头支票什么时候才能兑现呢？也就是什么时候操作系统才会真正的分配物理内存呢？答案是当我们真正使用这段内存时，当我们真正使用这段内存时，这时会产生一个缺页错误，操作系统捕捉到该错误后开始真正的分配物理内存，操作系统处理完该错误后我们的程序才能真正的读写这块内存。
完整解析
- malloc开始搜索空闲内存块，如果能找到一块大小合适的就分配出去；
- 如果malloc找不到一块合适的空闲内存，那么调用brk等系统调用扩大堆区从而获得更多的空闲内存；
- malloc调用brk后开始转入内核态，此时操作系统中的虚拟内存系统开始工作，扩大进程的堆区，注意额外扩大的这一部分内存仅仅是虚拟内存，操作系统并没有为此分配真正的物理内存；
- brk执行结束后返回到malloc，从内核态切换到用户态，malloc找到一块合适的空闲内存后返回；
- 程序员拿到新申请的内存，程序继续；
- 当有代码读写新申请的内存时系统内部出现缺页中断，此时再次由用户态切换到内核态，操作系统此时真正的分配物理内存，之后再次由内核态切换回用户态，程序继续。
至此，结束
