Linux|进程地址空间

news2024/11/20 4:34:49

Linux|内存地址空间

现象
基本概念
理解
- 如何理解地址空间
- - 什么是划分区域？
  - 地址空间的理解
  - 为什么要有地址空间？
  - 如何进一步理解页表和写时拷贝
  - 如何理解虚拟地址
- Linux真正的进程调度方案

现象

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include<sys/types.h>
int g_val = 100;


int main()
{
    printf("father is running, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());


    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        //child
        int cnt = 0;
        while(1)
        {
            printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d. g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);
            sleep(1);
            cnt++;
            if(cnt == 5)
            {
                g_val = 300;
                printf("I am child process, change %d -> %d\n", 100, 300);
            }
        }
    }
    else
    {
        //father
        while(1)
        {
            printf("I am father process, pid: %d, ppid: %d. g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);
            sleep(1);
        }
    }
}

在这里插入图片描述
同一个地址但是值却不一样！这是为什么呢？我们可以得出一个最基本的结论：就是我们看到的地址不是真实的物理地址

基本概念

操作系统为我们划分了4G的虚拟进程地址空间（针对32位的机器）
在这里插入图片描述

虚拟进程空间和真实的进程空间通过页表的映射联系起来
每一个进程都有自己的一份虚拟进程空间，子进程会基础父进程的内核数据结构
内存空间是用来描述代码和数据的，本质是操作内核中的一个数据结构
因为操作系统设计进程的时候要保证独立性，子进程的数据是独立的，子进程修改val的值的时候会发生写时拷贝

这也解释了为什么我们看到的地址一样值却不一样，因为发生了写时拷贝，虽然虚拟地址是一样的但是物理地址则不一样。
写实拷贝本质是一种按需申请，如果把父进程内存空间的数据全部拷贝一份，会浪费很多。比如命令行参数和环境变量几乎是不修改的。

理解

如何理解地址空间

什么是划分区域？

上小学的的时候，我们都会遇到这种情况，就是和同桌划分三八线，本来各占桌子的百分之五十，但是一天你突发奇想想要把区域划分大一点。这怎么用计算机描述呢？
在这里插入图片描述
我们可以定义一个区域的结构体来描述自己的区域大小。
另外一个结构体用来描述来个区域的信息。

struct area
{
	int start；
	int end;
}typedef area

struct desk
{
 	area left;
 	area right;
}typedef desk

desk.left.end += 20;
desk.right.start -= 20;

进程地址空间本质上也是一个结构体，很多属性表示end 和start的范围。

地址空间的理解

操作系统给进程画的大饼
操作系统告诉每个进程你们可以使用整个的内存哦！

为什么要有地址空间？

实际中的物理内存中，代码区，数据区，堆区，栈区，共享区，命令行参数，环境变量是杂乱存放的。页表和进程地址空间可以将无序变为有序。
对进程管理模块和内存管理模块进行解耦。我们申请开辟空间只是在进程地址空间中调end的大小，当使用时才真正的在内存中分配。这样做能提高内存的利用率
拦截非法请求当我们访问内存时，操作系统和硬件会在页表中寻找物理内存的位置，但是当我们越界访问时，就在页表中找不到对应的物理内存的位置，操作系统就把这次访问内存的请求拦截了下来，避免往内存中写入废旧的数据，从而影响其他内存。

如何进一步理解页表和写时拷贝

页表里面有很多标记位，比如能否读写的标记位，是否在物理内存中的标记位

理解进程挂起，就是把进程是否在物理内存中置为false了
解释 char *str =“hello word”； *str =‘H’ 在字符常量区为什么不能被修改呢？因为页表在映射时有权限管理

OS通过识别到错误（比如父子进程对全局变量的权限都是r和w 父进程一旦创建了子进程，对全局变量的权限都变为w 此时修改就会判断为错误）来引发写时拷贝：

先判断数据是不是在物理内存中（看标记为是否ture）如果不在发生缺页中断，在内存中分配一个空间。这属于正常情况
是不是需要写实拷贝，怎么判断是否需要写实拷贝呢?通过引用计数的方式
如果都不是才进行异常处理，比如我们越界了，地址就不页表的虚拟地址中

如何理解虚拟地址

最开始的时候页表里的数据从那里来的？
我们知道程序里面本身就有地址
这个地址就是逻辑地址（虚拟地址）
当程序加载到物理内存的时候，就得到物理地址
根据这个虚拟到物理建立映射关系

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // child
        while(1)
        {
            printf("I am child, %d, %p\n", id, &id);
            sleep(1);
        }
    }
    else if(id > 0)
    {
        while(1)
        {
            printf("I am father, %d, %p\n", id, &id);
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}