目录

引言

问题导入

进程地址空间

宏观的过程去分析

谈细节

1.进程地址空间究竟是什么

2.页表

3.进程被挂起

4.页表的存在，让进程管理和内存管理相连动

本文核心逻辑

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引言

在当今的计算世界中，操作系统是管理计算机硬件和软件资源的关键组件。而在众多操作系统中，Linux以其开源、稳定和高效的特点，成为了广泛使用的系统之一。当我们探讨Linux系统时，程序地址空间无疑是一个核心而神秘的概念。它不仅是进程执行的基础，也是操作系统实现内存保护和高效资源管理的关键机制。本文将带领深入理解Linux程序地址空间的奥秘，从其基本原理到实际应用，揭示这一概念在确保系统稳定运行和优化性能方面的重要作用。  

问题导入

本文通过对进程地址空间的介绍，主要解决以下问题：

1.为什么一个变量会存在两个值

2.以下代码的问题

为什么不加const就会报错，加上const就不会报错。

通过下面的讲解，将会从透过现象看本质的方式去理解它。

进程地址空间

上述的示意图我们可以理解为

需要注意：这并不是真实的物理内存布局，而是虚拟内存/先行内存。

自下到上：代码区、字符常量区、初始化的全局变量、未初始化的全局变量、堆区、栈区。

其中栈区、堆区相对而生。

打印地址观察

可以看到，大体是遵循这张图的（注：该图以32位绘制，实际测试环境为64位）

至于静态的对象：

静态：只不过作用域在某个（函数、结构、、、、）代码块，但是生命周期在全局 

看下一段代码

在父进程中，将g_avl修改为200

结果（32位机器下）：

问题暴露：

值不同，但是地址一样

怎么可能，同一个变量，相同的地址，出现了不同的val？

结论：

因此其实所看到的地址并不是真是的物理地址，而是虚拟地址。

我们平时写的C/CPP代码，里面的指针，全部都不是物理地址，而是虚拟地址 \ 线性地址。

宏观的过程去分析

我们都知道，在进程创建时,OS会给我们创建大量的kernel数据结构。

上述画出的地址图，其实就是一种数据结构。进程地址空间：管理进程运行时分配的地址空间的一种数据结构。

接下来的所有问题，都会从这张图中找寻答案（在32位的环境中）。

页表：KV模型，通过虚拟地址可以映射到物理地址

当我们创建子进程时，也会获得一个进程地址空间和页表的数据结构

在最初期，子进程与父进程共享数据和代码

当发生数据修改时，子进程会和内存重新申请一份空间

在这个过程中，虚拟地址并没有发生改变，但是子页表的映射发生变化，将本该映射到11223344的数据映射到了地址为44332211的空间中。

这就是为什么出现虚拟地址相同，但是数据不一致的原因。

谈细节

1.进程地址空间究竟是什么

在32位机器中，内存的物理上限就是4g，为什么呢？

在CPU和内存中，共有32跟总线连接，代表着不同的数据信息，而最多就是2^32（字节）中，因此总共由有4gb

而进程地址空间就是映射的真是的物理内存空间。

拿数据范围是符合划分的呢？

我们说进程地址空间其实是一个结构体，那这个结构体是什么样的呢？在kernel中，存在着这样一个结构体：mm_struct  (mm就是memory）

进程空间存在的意义是什么？

1.由于进程空间的存在，可以让进程对于内存有一个统一的视角去看待。

2.进程地址空间，可以让我们在访问物理内存的时候，增加一个转化的过程，在这个转化的过程中，可以对我们寻求的物理空间做一个审查，一旦访问异常，直接拦截，该请求不会到达物理内存，起到保护物理内存的作用

2.页表

在进程切换时，存在一个叫做cr3的寄存器，可以存储页表的信息。当进程离开cpu时，这些信息转接到pcb中。当cpu重新执行进程时，cr3可以从pcb中读取页表的信息，以便于继续从原来离开的代码块继续执行。

这东西的本质就是硬件的上下文。

一旦访问异常，直接拦截，该请求不会到达物理内存，起到保护物理内存的作用-------这是如何实现的呢？

这主要就是靠页表。

页表除了虚拟地址与物理地址，从还存在一个称为权限的属性栏。

由于内存本身不存在读写属性，这就可以让我们在访问内存的时候，管控内存到底是要读，还是读写都可以。

在进程中，当某段数据申请修改内存的内容时，需要先经过页表，如果页表的权限位只读，那么就禁止修改内存的内容。这就可以很好的保护数据。

这也是为什么常量字符串禁止修改的原因。

3.进程被挂起

linux下的进程管理存在r（运行）s（阻塞、休眠）等状态，但是没有对应的挂起，那进程的挂起在linux中是如何实现的呢?

既然进程可以被挂起，那你怎么知道你的代码在内存还是在磁盘呢？

内存的惰性加载

当我们想要加载一些大型的文件时，往往需要分块去加载这些内容，比如500M的内容，可能内存只会先加载100M。剩下的内容，当你需要的时候，再去内存中加载，这是如何实现的呢？

其实页表还存在一栏，用来检测数据、代码是否被加载到了内存。（目前我们至少知道，页表存在四个栏目）

当虚拟地址存在，想通过虚拟地址去访问物理内存时，发现物理地址不存在，检测栏对应的信息是0（即代码、数据被挂起在磁盘中，没有加载到内存）。内存没有申请，出发缺页中断，此时代码从磁盘加载到内存。

这时候就需要将磁盘中的数据和代码加载到内存，供进程访问使用。

这种惰性加载其实是一种充分节约内存资源的手段。

可见，在进程的执行过程中：先生成内核数据结构，再将数据加载到内存。

4.页表的存在，让进程管理和内存管理相连动

左侧是进程管理，右侧是内存管理。正是由于页表的存在，可以实现内存管理与进程管理的解耦。

使得进程管理模块相对独立。

所有，这时候我们需要对进程有一个重新的认识

进程 = 内核数据结构（pcb（task_struct）   +      mm_struct(进程地址空间）   +   页表） + 代码 + data + 占用的物理空间

进程具有独立性的问题也可以解决了

本文核心逻辑