『 Linux 』进程地址空间存在的意义

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前言🦕
- 🦖 防止进程对物理内存的非法(危险)访问
- 🦖 进程管理模块与内存管理模块的解耦合
- 🦖 实现进程间的独立性

前言🦕

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在文章『 Linux 』进程地址空间概念中提到了进程地址空间的部分概念;

这部分概念主要围绕进程地址空间到底是什么;

在实际中,进程地址空间是一个进程的数据结构,这个数据结构的作用是模拟出虚拟地址;

当一个进程需要访问物理内存时必须经过进程地址空间获取其虚拟地址,通过页表找到页表中所映射的物理地址,才能对需要的物理地址中的数据进行操作;

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这样的操作流程一定程度上保证了进程间与物理内存的安全性;

🦖 防止进程对物理内存的非法(危险)访问

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在进程当中,每个进程都会有对应的PCB结构体(进程控制块),进程控制块与进程的进程地址空间产生对应关系;

当一个进程需要去访问对应的物理地址时将要从进程地址空间获取对应的虚拟地址,通过该虚拟地址以一种映射关系映射到对应的物理地址当中;

这个映射关系是通过一种名为页表的数据结构进行的;

页表以key/value的模型使得cpu获取到虚拟地址时能通过映射关系找到对应的物理地址;

而实际当中,页表不仅仅可以做到映射关系,页表还能做到权限查询;

当进程创建之后将会初始化进程间对应的一些数据结构,这些数据结构包括进程控制块,进程地址空间,页表等;

而在初始化页表的阶段,不仅会给页表初始化对应的虚拟地址(不一定会直接申请内存并产生映射关系),还会根据虚拟地址对应代码初始化对应的权限(页表中的页表项,不作过多说明);

使得一个进程在对物理内存进行非法访问的时候能使该进程因内权限不足不予访问;

如果进程在通过页表映射关系对物理内存的访问非法访问时则会触发页表的权限查询;

以一个例子为例,存在这样一段代码:

int main()
{
    const char *str="hello world";
    *str = 'H';
    return 0;
}

在实际中这段代码将在编译过程中的语义分析报错而导致编译失败;

假设这段代码编译未报错且生成了对应的可执行程序;

这段代码中使用*str对字符常量区进行修改;

但字符常量区的代码的权限为只读权限,即该区域内的代码不能被进行写入操作;

当进程需要对该物理内存以写入的方式进行访问时将会触发页表的权限查询行为;

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内存管理单元(MMU)会根据页表中的映射关系讲虚拟地址转化为物理地址,并在转换的过程中进行权限检查;

如果权限不符合访问要求,MMU将会触发异常,这个异常会被传递给OS(操作系统),OS在接收到异常过后会根据异常的类型进行处理;

在OS的层面中,本质上的物理内存是不具备物理访问权限限制的,意思是物理内存本身是可以被进行任意的读写操作的;

而若是直接对物理内存进行读和写的操作时可能会出现进程间的误操作导致不能保证物理内存的安全性;

而在拥有进程地址空间(包括页表)时,在这套机制下,内存管理单元(MMU)将对页表的权限进行查询,使得若是某个进程非法对物理内存进行读写操作时能对该操作进行有效拦截;

可以使用mprotect()函数对该场景进行模拟:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>

int main() {
    const char* str = "hello world";

    // 将str所在的内存页标记为只读
    size_t page_size = sysconf(_SC_PAGESIZE);
    void* page_start = (void*)((uintptr_t)str & -page_size);
    if (mprotect(page_start, page_size, PROT_READ) != 0) {
        perror("mprotect");
        return 1;
    }
    // 尝试对只读内存区域进行写入操作
    char* writable_str = (char*)str; // 将const char*转换为char*，这是非法操作
    *writable_str = 'H'; // 这里会触发内存保护异常
    return 0;
}

在这个演示中,使用mprotect()函数将str所在的内存页标记为只读,然后尝试对只读内存区域进行写入操作;

当进程尝试对只读内存区域进行非法写入时,会触发内存保护异常,从而导致程序的终止或异常处理;

总而言之,进程地址空间的存在以及内存管理单元(MMU)对页表的权限查询机制保护了物理内存中的所有的合法数据(包括进程及与内核相关的有效数据);