【linux进程(七)】程序地址空间深度剖析

news2025/1/15 12:49:13

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程序地址空间

1. 前言
2. 什么是程序地址空间?
3. 程序地址空间是如何设计的?
4. 虚拟地址和物理地址的关联
5. 页表的结构以及作用
6. 为什么要存在地址空间?
7. 总结以及拓展

1. 前言

由于此Linux系列文章偏向于做
顺序学习手册,所以有些内容在
一篇文章中可能不连贯,敬请谅解!

请先阅读下面的文章的最后一段
了解打印出来的地址并不是物理地址
这一事实逻辑:

程序地址空间前言

本章重点:

本篇文章着重讲解进程中的虚拟地址
和物理地址的关系,了解虚拟地址的
内核本质是什么,以及页表和物理地址
的映射逻辑和写时拷贝的具体体现,
期间我们将回答三个问题:

什么是地址空间?
地址空间是如何设计的?
为什么要有地址空间?

2. 什么是程序地址空间?

在理解地址空间前,我们知道一个事实:
平时看见的地址并不是真实的地址
又叫虚拟地址,真实的地址空间
被称为物理地址(物理内存)

我想通过讲一个故事来帮助理解
到底什么是程序地址空间:

有一个富豪,它有10亿资产,由于
年轻时比较浪,所以他有四个私生子
这四个私生子并不知道彼此的存在,
私生子A是个医生,私生子B是个企业家
私生子C是个街头混混,私生子D是个学生
富豪分别对小A,B,C,D说:
(1),小A啊,你要是努力做个医生,以后我的
10亿美金都是你的了
(2),小B啊,要是你把你的公司运作的很好
以后我的10亿美金就是你的了
(3),小C啊…小D啊…

在这里插入图片描述

故事还没结束,有一天,A说:老爸
给我10万美金,我要买医疗器械,
富豪想了想觉得是正事,于是给了
小A十万美金,小C又说:老爸,给我
两千美金吧,我吃不起饭了,富豪一听
就把钱打过去了,所以我们知道,这四个
人都可以用10亿美金以内的钱,但是
永远用不到10亿美金!

现在列出人物和地址的对应关系:

富豪对应操作系统
10亿美金对应物理地址
私生子对应每一个进程
富豪画的饼对应地址空间

所以可以得出结论,地址空间可以
理解为操作系统给进程画的饼
它并不是真实的物理地址!

3. 程序地址空间是如何设计的?

既然富豪给每一个私生子都画了饼
所以对应每一个进程都又一个自己的
程序地址空间,这是第一个结论

然而,OS要管理这些空间,一定
要先组织,再管理!所以地址空间
是一个struct结构,**这是第二个结论**

再来看看程序地址空间的图:

在这里插入图片描述

程序地址空间无非就是各个
区域的结合,然而各个区域的划分
无非就是两个整数begin和end
一个在区域的开头,一个在区域的结尾
这是第三个结论! 如图:

在这里插入图片描述

根据上面的推论,我们可以得出结论:
地址空间这个北河数据结构中(struct)
至少包含了各个区域的划分,它的概念
结构如下:

struct addr_room
{
	int code_start;//代码区起始
	int code_end;//代码区结束
	int init_start;//初始化区起始
	int init_end;//初始化区结束
	int heap_start;//堆区起始
	int heap_end;//堆区结束
	......
	其他属性
};

所谓的区域范围变化
实际上就是对start和end做加减!

4. 虚拟地址和物理地址的关联

当我们理解了什么是虚拟地址后,
现在再谈虚拟地址和物理地址的关系:

本质是一种映射关系!

现代计算机使用以下方法解决问题:
OS为每一个进程配对一个虚拟地址
空间和一张页表,要访问物理地址时,
需要先在页表进行映射,若访问的是
非法地址,则会在页表层阻止你的访问!

在这里插入图片描述

所以为什么一个地址会有两个值?
现在我们就能回答这个问题了:

创建子进程时,子进程的数据和
代码和父进程共享,也就是和父进程
一样,所以此时子进程的页表和程序
地址空间和父进程一样!当子进程尝试
修改变量的值时,操作系统会重新为子进程
开辟一份物理内存,并修改子进程页表的
映射关系,此时映射到物理内存的不同
区域,但是虚拟地址是一样的!
这个过程也叫写时拷贝

在这里插入图片描述