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程序地址空間

進程地址空間 - 虛擬地址空間

概念引入（淺）

初步理解結(jié)構(gòu)

深入理解虛擬地址

為什么要有地址空間？

程序地址空間的角度理解掛起

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程序地址空間

C/C++在Linux下的程序地址空間分布：

• 棧向低地址增長，堆向高地址增長（堆、棧相對而生）
• 正文代碼區(qū)包括其中的字符常量區(qū)，只能讀不能寫

#include#includeint un_g_val;
int g_val = 10;

int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
    printf("代碼區(qū):%p\n", main);      //代碼區(qū)

    char* p = "hello world";         //字面常量
    printf("字面常量:%p\n", p);

    printf("已初始化全局數(shù)據(jù)區(qū):%p\n", &g_val);    //已初始化全局數(shù)據(jù)區(qū)

    static int num = 10;
    printf("static修飾的局部變量:%p\n", &num);    //static
    printf("未初始化全局數(shù)據(jù)區(qū):%p\n", &un_g_val); //未初始化全局數(shù)據(jù)區(qū)
    
    char* p1 = (char*)malloc(4);
    char* p2 = (char*)malloc(4);
    char* p3 = (char*)malloc(4);
    
    printf("堆1:%p\n", p1);         //堆
    printf("堆2:%p\n", p2);         //堆
    printf("堆3:%p\n", p3);         //堆
    printf("棧1:%p\n", &p1);        //棧
    printf("棧2:%p\n", &p2);        //棧
    printf("棧3:%p\n", &p3);        //棧

    for(size_t i = 0; i< argc; ++i)
    {
        printf("argv[%d]：%p\n", i, argv[i]);
    }
    for(size_t i = 0; env[i]; ++i)
    {
        printf("env[%d]：%p\n", i, env[i]);
    }
    return 0;
}

在我們看來，父子進程是代碼共享的，所以&g_val地址相同是可以理解的，父進程具有獨立性，所以子進程的g_val改變父進程的g_val不變是可以理解點，但是結(jié)合起來看，具有相同地址的變量卻是不同值，就很奇怪。

? 其實，這里地址并不是物理上的地址，而是：虛擬地址（線性地址）。操作系統(tǒng)上的地址與編程語言上的地址是不一樣的，不是一個理解。幾乎所有有?“地址” 的概念的語言，其所謂的地址一定不是物理地址，而是虛擬地址。在操作系統(tǒng)上，接觸不到物理地址，都是虛擬地址，這是操作系統(tǒng)自我的一種保護，防止空間被隨意的更改。

虛擬地址：計算機通過軟硬結(jié)合的方案，創(chuàng)造出的地址空間的概念。

進程地址空間 - 虛擬地址空間 概念引入（淺）

初步理解進程地址空間是虛擬地址空間的意義。（計算機的演變）

最初，其實并沒有虛擬地址空間的概念，是CPU直接對物理地址空間(內(nèi)存)操作。

由于物理地址空間就是自由的空間，并未對讀寫設(shè)置權(quán)限，也沒有違規(guī)操作的處理：

• 物理地址空間沒有隔離，每一個進程都可以修改其他進程的數(shù)據(jù)，修改內(nèi)核空間中的數(shù)據(jù)。
• 由于是直接存儲于物理空間內(nèi)，所以進程數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一規(guī)范性放置，會出現(xiàn)碎片化內(nèi)存浪費。
• 內(nèi)存地址隨機分配，程序運行的地址不確定，CPU需要查詢消耗。

初步總結(jié)：我們需要一個處理方式，使得CPU運行進程的操作是規(guī)范的，安全的；對于物理地址空間中的進程管理是合理的。

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這樣就有了虛擬地址空間的概念。虛擬地址空間的存在就如同一幅圖，一把尺。

一幅圖：

? 直接給進程一個?0x0000……0000 到 0xffff……ffff 的空間，并把每個區(qū)域進行劃分，將代碼與數(shù)據(jù) “畫” 在圖（虛擬地址空間）中。CPU也無需關(guān)注物理內(nèi)存的存在，只需要根據(jù) “圖” 中的位置進行訪問即可，剩下的轉(zhuǎn)換交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 “圖” 中的虛擬地址變?yōu)槲锢淼刂?，然后將?shù)據(jù)輸出給CPU。也就是說：每一個進程都有一幅針對它的 “圖”，這副 “圖” 是每個進程私有的，而在轉(zhuǎn)換的過程中就是檢測CPU操作是否規(guī)范的關(guān)鍵所在。

? CPU根據(jù)虛擬地址空間的位置向操作系統(tǒng)索要數(shù)據(jù)。

一把尺：

? 對于虛擬的?0x0000……0000 到 0xffff……ffff 區(qū)域的劃分，區(qū)域的劃分就是begin與end：

初步理解結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)將虛擬地址空間中的地址轉(zhuǎn)換為物理地址是通過所謂的頁表。

? CUP通過運行進程，以進程的task_struct結(jié)構(gòu)題提取到虛擬地址空間中所儲存的虛擬地址，該虛擬地址再以頁表的映射關(guān)系找到物理地址，再以此到物理空間中讀取數(shù)據(jù)?？梢哉f整個過程CPU都是不知道物理內(nèi)存的存在的，而一直認為虛擬地址空間就是數(shù)據(jù)真正處于的位置。

地址空間和頁表是每一個進程都私有的一份，以每個進程的頁表的映射關(guān)系就能做到：

• 通過映射，虛擬地址與物理地址對應(yīng)，就能做到，進程之間不會互相干擾，保證進程的獨立性。
• 只有頁表中的虛擬地址，或者虛擬地址相對應(yīng)的物理空間才能訪問。就能提高安全性，防止出現(xiàn)野指針越界訪問其他進程的問題。

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解決前面的父進程與子進程具有相同的地址，卻g_val值不同的問題：?

fork之后，代碼是父子共享的，所以子進程的地址空間與頁表絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都是復(fù)制的父進程的地址空間與頁表數(shù)據(jù)，二者是一樣的，前提是并未在子或父進程中更改數(shù)據(jù)。

? 當(dāng)我們更改子進程的g_val的數(shù)據(jù)時：

? 操作系統(tǒng)，會以實時拷貝，開辟一個空間將g_val復(fù)制拷貝，改變子進程頁表的映射關(guān)系改變成新開辟的空間，然后進行子進程的g_val的數(shù)據(jù)更改。我們表面上所看的地址只是虛擬地址，其實在物理內(nèi)存中，有屬于自己的變量空間，只不過在用戶層使用同一個變量（虛擬地址）來標(biāo)識。

深入理解虛擬地址

? 當(dāng)我們的程序在編譯的時候（形成可執(zhí)行程序的時候），或者說沒被加載到內(nèi)存當(dāng)中的時候，程序內(nèi)部其實就已經(jīng)有地址了。

?地址空間不僅僅是操作系統(tǒng)需要遵守的，其實編譯器也要遵守。即編譯器編譯代碼的時候，就已經(jīng)形成了各個區(qū)域、代碼區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)……，并且采用個Linux內(nèi)核中的一樣的編址方式，給每一個變量，每一行代碼都進行了編址。

? 所以：程序在編譯的時候，每一個字段其實早就已經(jīng)具有了一個虛擬地址。

? 其實這正是地址空間與頁表，最開始的時候的數(shù)據(jù)來源。

為什么要有地址空間？

1、凡是非凡的訪問或者是映射，操作系統(tǒng)都會識別到，并終止此進程。

? 因為地址空間和頁表是操作系統(tǒng)創(chuàng)建并維護的。這也就意味著凡是想用地址空間和頁表進行映射，就一定要在操作系統(tǒng)的監(jiān)管之下來進行訪問。也便保護了物理內(nèi)存中所有的合法數(shù)據(jù)，包括各個進程以及內(nèi)核的相關(guān)有效數(shù)據(jù)。

更直接的說就是：有效的保護了物理地址。

• 所訪問的虛擬地址是頁表未有的，即訪問不合法。
• 虛擬地址所訪問的物理地址是頁表未映射的，即訪問不合法。
• 頁表中不僅有映射關(guān)系，更有讀寫權(quán)限。此也是自由的物理內(nèi)存，卻有只能讀的代碼區(qū)的關(guān)鍵。

2、因為有地址空間和頁表的存在，所以在物理內(nèi)存中，可以對未來的數(shù)據(jù)進行任意的位置加載。

? 由于進程與內(nèi)存的聯(lián)系以頁表分隔。對于虛擬地址在內(nèi)存中的物理地址存儲，是由頁表的映射而聯(lián)系的，所以內(nèi)存管理模塊與進程管理模塊就完成了解耦合。

? 所以如C/C++語言上的new、malloc申請空間的時候，本質(zhì)就是在虛擬空間申請。因為對于物理空間申請了，但是無法立馬使用，就會造成空間的浪費，而由于兩個模塊的解耦合，那么兩個模塊的聯(lián)系也就是一個頁表，對于物理空間并沒有立馬給與的必要。只需延遲分配的策略，就可以提高整機的效率。

? 之所以可以延遲分配，本質(zhì)上：因為有地址空間的存在。所以地址 “許諾” 給進程就可以了，上層申請空間就是在地址空間上申請，物理內(nèi)存可以一個bit為都不給。進程既不是立馬運行，那就延遲實現(xiàn)?“許諾” ，提高內(nèi)存的使用。而當(dāng)你真正的對物理地址空間訪問的時候，才執(zhí)行內(nèi)存的相關(guān)管理算法，申請空間，構(gòu)建頁表映射關(guān)系）

?內(nèi)存管理操作系統(tǒng)自動完成。用戶、CPU、進程完全0感知。

3、根據(jù)2，因為在物理內(nèi)存中理論可以任意位置加載，那么物理內(nèi)存中的幾乎所有數(shù)據(jù)和代碼在內(nèi)存中都是亂序的。

? 因為頁表的存在，它可以將地址空間上的虛擬地址與物理地址進行映射，所以可以做到在進程的視角中所有的內(nèi)存分布，是有序的。

?重點：地址空間+頁表 = 內(nèi)存亂序分布變的有序化。

? 不同進程的需要訪問的物理內(nèi)存中的代碼和數(shù)據(jù)，是由頁表規(guī)范化，映射到不同的物理內(nèi)存中，進而可以做到進程的獨立性。

?重點：地址空間+頁表 =?內(nèi)存亂序分布變的獨立化。

實現(xiàn)的有序化、獨立化，更是由于地址空間的存在。因為每一個進程都認為自己有一個4GB空間（32位），進而有了虛擬地址分布的地址空間，并通過頁表映射到不同的區(qū)域，實現(xiàn)有序化、獨立化。

程序地址空間的角度理解掛起

? 加載的本質(zhì)就是創(chuàng)建進程，按照前面第3點，并不是必須把所有程序的代碼和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，并創(chuàng)建內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立映射關(guān)系。在極端的情況下，甚至可能只有內(nèi)核結(jié)構(gòu)被創(chuàng)建出來，并未分配物理空間，這就是未了提高內(nèi)存利用率進行的分批加載，同樣的也有分批換出。

? 當(dāng)已被執(zhí)行完的代碼與數(shù)據(jù)，或者由于處于對于某種資源的等待導(dǎo)致的阻塞，也就是此進程短時間不會再執(zhí)行了。進程的數(shù)據(jù)和代碼就換出，也就叫做掛起。

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