【Linux】地址空间

news2024/12/30 3:21:42

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本片博客将重点回答三个问题
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？
程序地址空间排布图
在32位下，一个进程的地址空间，取值范围是0x0000 0000~ 0xFFFF FFFF

回答三个问题之前我们先来证明地址空间排布是按如图所布局的
各个区空间地址验证代码

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

int g_unval; // 未初始化数据
int g_val = 100; // 初始化数据，一般指全局初始化数据
int main(int argc, char* argv[], char* env[]) // 命令行参数，环境变量
{
	// 代码地址打印                          
    printf("code addr: %p\n", main); 
    printf("init global addr: %p\n", &g_val);
    printf("uninit global addr: %p\n", &g_unval);
    
    // 堆区，指针变量本质是变量，也要开辟空间，不过放的内容是地址
    char *heap_mem = (char*)malloc(10);
    printf("heap addr: %p\n", heap_mem);
    
    // 栈区，函数内定义的变量都是在栈上开辟空间
    printf("stack addr: %p\n", &heap_mem); 
     
    int i = 0;
    for (i = 0; i < argc; i++)
    {	
    	// 命令行参数地址	
        printf("argv[%d]: %p\n", i, argv[i]);
    }
    int j = 0;
    for (j  = 0; env[j]; j++)
    {
        printf("env[%d]: %p\n", j, env[j]);
    }
    return 0;
 }

运行结果
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堆、栈之间的两个箭头表示
栈向地址减小的方向增长
堆向地址增大的方向增长

证明方法也很简单

运行结果也证明确实是这样
我们会发现堆区之间差了20字节
我们平时申请空间，系统会多给你一些空间
多出的空间用来记录你堆的属性信息
所以平时我们free空间，只要传起始地址
剩下的系统知道要free多长的空间
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我们在系统部分要记的两个口诀
1、先描述在组织
2、堆、栈相对而生

static 修饰局部变量，本质就是将该变量开辟在全局区域

所有的字面常量将来都是要映编码进代码的
在正文代码上其实有一小段是字符常量区
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什么是地址空间以及是如何设计的

我们平时打印各种地址其实就是进程打印，程序运行之后打印的

在解释什么是地址空间之前，我们先来讲一个故事

有一个富豪，他有5亿元家产
他有3个私生子，彼此并不知道对方存在
3个私生子分别叫张三、李四、王五
富豪为了鼓励3个儿子
对张三说你好好念书将来5亿就是你的了
对另外两个儿子也说了同样的话

因为不知道彼此存在
对于这三个儿子，他们都认为是5亿继承人
富豪给他们每一个儿子画了一个大饼

有一天，张三对他爸说要1千买学习资料
李四说我成年了想买一辆两百万的跑车
王五说我创业需要50万
富豪都给了他们需要的钱
只要他们要钱富豪都会给
有一天张三说要1亿，富豪说要这么多干嘛
拒绝了张三，即使被拒绝了张三依旧认为自己是5亿的继承人
我们站在上帝视角知道即使富豪过世了
这三个儿子不可能都拥有5亿
他们每个儿子可以断断续续的要钱
但永远要不到5亿，却依然坚信自己以后能拥有这5亿

对应关系
富豪 ---- 操作系统
儿子 ---- 进程
富豪画的饼 ---- 地址空间

在内存中的地址空间本质是一种数据结构
将来要和一个特定的进程关联起来

以前直接访问物理内存，如果有野指针的问题
可能直接访问到其他进程
内存本身是随时可以被读写
所以在老式的程序里面野指针是会直接改了其他进程的东西
结论：直接使用物理内存不安全

现代计算机的解决方式

每个进程有自己的PCB
操作系统给每个进程一个虚拟的地址空间
通过映射机制映射到物理内存
我们可能会有疑问，最终还是会访问物理内存
万一虚拟地址是一个非法地址呢
其实映射机制有一个检查机制，万一是非法地址
可以不让你映射

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虚拟地址空间究竟是什么?

每个进程都要有地址空间
就好比操作系统要给每个进程画个饼
操作系统要给每个饼做管理
在内存中的地址空间本质是一种内核数据结构
它里面至少有各个区域的划分
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我们把如图结构称为地址空间

区域空间并不是死的，会有一定的变化
所谓的范围变化，本质是对start 或end 标记值 + - 特定的范围即可
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所以一个地址为什么有两个值
到这里就可以回答这个问题了

刚开始创建时只有父进程
然后创建子进程，子进程会继承父进程的属性
所以子进程的页表、地址空间和父进程一样
当子进程尝试修改变量值时
因为要保证进程的独立性
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
但是虚拟地址并不受影响，还是一样的地址
但映射到物理内存的不同区域
看到的值便不一样
这种策略就叫作写时拷贝

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为什么要存在地址空间

保护物理内存
凡是非法的访问或者映射，
os都会识别到，并且终止你这个进程
因为地址空间和页表是os创建并维护的
也就意味着凡是想使用地址空间和页表
进行映射，也一定要在OS的监管下进行访问
OS耦合度更低
因为有地址空间的存在
因为有页表映射的存在
我们的物理内存就可以
对未来的数据进行任意位置的加载
物理内存的分配就可以和
进程的管理互不关联
从而使内存管理模块和进程管理模块
完成解耦合