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💖进程地址空间

我们在学习C语言的时候，应该都知道这个内存空间图。

但其实我们对它并不了解，为什么呢？我们用一段代码来感受一下！

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

int g_val = 100;

int main()
{
  int pid = fork(); //创建子进程
  if(pid == 0)
  {
    //child
    int count = 5;
    while(count)
    {
      printf("i am child , g_val = %d, &g_val = %p\n",g_val,&g_val);

      if(count == 3)
      {
        //修改数据
        printf("******开始修改数据*******\n");
        printf("i am child , g_val = %d, &g_val = %p\n",g_val,&g_val);
        g_val = 200;
        printf("******修改数据done*******\n");
      }
      count--;
      sleep(1);
    } 
    
  }
  else if(pid > 0)
  {
    //parent
    while(1)
    {
      printf("i am father , g_val = %d, &g_val = %p\n",g_val,&g_val);
      sleep(1);
    }
  }
  else 
  {
    //erro
    perror("fork:");
  }
  return 0;
}

我们这个代码的主体逻辑是，创建一个全局变量。然后再创建一个子进程，随后打印全局变量的值和地址，在子进程特定的时候修改这个全局变量。

那么我们来看看运行结果吧！

我们可以发现，g_val的值被修改了！ 但是它们的地址还是一样的。这是怎么回事！？？？

我们都知道，父进程和子进程如果没有发生数据修改，那么会共用同一份数据。如果有一方的数据发生了修改，那么就会写实拷贝一份。所以此时的父进程和子进程各有一份属于自己的数据，既然有2份数据那么就说明有2个g_val。2个独立进程的g_val变量用了同一块内存空间，这合理吗？完全不合理！！！2个进程用同一块空间，这不就起冲突了。这是为什么呢？？

再探索这个问题之前，先给大家讲个小故事，方便大家理解。

在美国有一个大富翁，他有三个私生子，这三个私生子互相不认识。而这个大富翁有100亿美金。

然后这个时候，大富翁对私生子小A说：等我老了，就由你来继承我100亿财产吧。这时小A就以为这100亿是他的了。然后大富翁又对私生子小B说：等我老了，你来继承我的100亿吧。 小B听了高兴坏了，也以为这100亿是他的了。然后大富翁又对私生子小C说了同样的话。 所以，大富翁给他的所有私生子都花了一张大饼。告诉他们，他们未来都会继承这100亿。所以大富翁的私生子，都认为自己有100亿可以花，就可以按照这100亿来为自己分配生活。

而这里面的大富翁，就是操作系统，私生子就是进程，大饼就是进程地址空间，那么这100亿美金，就是我们的物理内存。而我在之前的篇章里说过，进程的本质其实就是 描述进程的结构体(PCB)+代码数据。那么进程地址空间是否在PCB里呢？答案当然是的。也就是说每个进程都会有一个进程地址空间，每个私生子都认为自己独占了大富翁的100亿美金，所以每个进程都认为自己独占了物理内存。 所以，我们的**进程地址空间，也被我们称之为虚拟内存。**那么为什么会打印相同地址？我们先了解一些东西，再最侯为大家总结结论。

💖进程地址空间是什么？

那么进程地址空间是什么呢？地址空间本质是内核中的一种数据类型，在Linux内核中，它是一个struct mm_struct的结构体。

也就说，我们程序的内存划分，本质上是一个区域！！

进程地址空间的划分

那么进程地址空间是怎么划分的？

打个比方：

假如你现在是一名小学生，你的同桌是一名爱干净的小女孩。而你一名爱流鼻涕不讲卫生的小男孩，这时侯，你的同桌嫌弃你。假设你俩的桌子长100cm，此时你的同桌在50cm的地方画了一根三八线，跟你划清界限。那么此时你还能不能把东西放到你同桌所在的区域？当时是不能了！假设你的区域是 0 - 50cm的地方，那么你的东西只能放在0-50区间。假设这时候有一把尺子，你想把你的橡皮擦放在第38cm的地方，于是你就拿尺子量出了38cm，把橡皮放在这个位置上。这里面呢，你和你同桌，充当的是一块区域，而这把尺子，是进程地址空间，橡皮擦，则是你的数据。你要把数据放在指定的地方，那么就需要进程地址空间充当尺子。为什么你知道桌子是100cm？因为有尺子，所以你才知道桌子是100cm。所以你要划分区域，也需要进程地址空间充当尺子来划分区域。

struct mm_struct
{
	unsigned int code_start; //代码段起始地址
	unsigned int code_end;  //代码段结束地址
	
	unsigned int init_data_start;//初始化变量区起始地址.
	unsigned int init_data_end;//初始化变量区结束地址
	
	unsigned int uninit_data_start;//未初始化变量区起始地址.
	unsigned int uninit_data_end;//未初始化变量区结束地址
	
	unsigned int heap_start;//堆区起始地址.
	unsigned int heap_end;//堆区结束地址
	
	.....
	unsigned int stack_start;//堆区起始地址.
	unsigned int stack_end;//堆区结束地址
}

每个进程都认为地址空间的划分是按照4GB的空间划分的，而地址空间上进行区域划分的位置，是虚拟地址！虽然这里只要start和end，但是每个进程都可以认为mm_struct 代表整个内存，且所有的地址为0x00000000 -> 0xFFFFFFFF。

虚拟内存转换成物理内存

既然每个进程都有一块地址空间，而程序里面的数据和代码都是根据进程地址空间存放。那么我们的系统调用它时是如何为它分配地址的呢？如何把对应的数据放到物理内存的呢？

那是因为物理内存和虚拟内存之间，有一张页表。

而页表的本质就是哈希表。通过虚拟内存来映射物理内存。也就说，每一个进程地址空间，都会有一张对应的页表。意思就是每一个进程都会有一张页表，通过页表的虚拟地址，就可以找到对应的物理内存。从而操作系统对物理内存进行操作。

💖为什么要有进程地址空间？

1. 通过添加一层软件层，完成有效的对进程操作内存进行风险管理(权限管理)，本质的目的是为了，保护物理内存以及各个进程的数据安全。

比如：

先给大家放一段代码。

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

这段代码会报错，为什么呢？因为 str它所处的内存空间是常量区。通过虚拟内存映射到真实的物理地址之后，它的权限是只读权限。当你修改它时，因为你不具备写权限，所以操作系统会直接把你干掉。这也是为什么要有进程地址空间的原因。如果没有进程地址空间，那么就无法进行权限管理，那么即使是常量也可以被修改！这是非常严重的！而有了进程地址空间之后，你能不能修改，全部取决于操作系统让不让你修改!

2. 将内存申请和内存使用的概念在时间上划分清除，通过虚拟地址空间，来屏蔽底层申请的过程，达到进程读写内存和OS进行内存管理操作，进行软件上面的分离！

先抛出一个问题：假如我们申请5000个字节，我们立马能使用这5000字节吗？？

答案是：不一定，可能会存在暂时不会全部使用，甚至暂时不使用的情况。

因为，在OS(操作系统)的角度上，如果空间立马就给你的话，是不是就意味着，整个系统会有一部分空间，本来可以先给其他进程立马使用，现在却被你闲置着？说简单点就是这个进程现在正茅坑，但丝毫没有要拉屎的意思。这种做法是人人恨之的，所以操作系统不一定会立马给你使用。

打个比方：比如你要开学了，你和你老爹要8000块钱的学费。但是你还有一星期才开学呢，于是你老爹说：好，我知道了，开学前一天给你。 你像你老爸要了8000块钱，你老爸对应给你了。这就就相当于你申请了8000字节的空间。但是你还有一星期才开学，也就是你这8000块钱暂时用不上，你这8000字节也暂时用不上。所以你爸说等你开学前一天的时候给你，而操作系统也在进程要使用的时候，给进程真实的物理内存。

而这和我们的写实拷贝非常的像，数据不改变就共用同一份数据，改变就拷贝一份。

3.站在CPU和应用层的角度，进程统一可以看做统一使用4GB空间，而且每个空间区域的相对位置，是比较确定的！OS最终这样设计的目的，达到了一个目标：每个进程都认为自己是独占系统资源的！进程具有独立性的！

这种情况也就是我们开头演示的那样，为什么2个进程的g_val的地址是相同，而值是不同的。这是因为**子进程创建是以父进程为模板创建的，所以子进程也会继承父进程的页表。**在子进程没有对g_val的值进行修改时，父子进程共享一份数据。而一旦子进程对g_val的值进行修改，那么在OS会对g_val的数据进行一份拷贝(写实拷贝)。且让子进程页表映射到g_val的值映射至新拷贝后的物理地址。这样子，即使它们的g_val的地址是相同的，但是在它们在页表 g_val的数据 是映射到不同的物理地址。

最后，为什么下面str1和str2的地址是相等的？

#include<stdio.h>
int main()
{
	const char* str1 = "hello world";
	const char* str2 = "hello world";
	printf("str1 的地址是: %p",str1);
	printf("str2 的地址是: %p",str2);
}

如上代码，我们会发现str1和str2的地址是一样的，可是它们不是同一个变量啊，为什么？因为str1和str2都在常量区。也就是说操作系统只给了这个区域可读权限，所以操作系统认为，对于只有可读的数据，操作系统只需要维护一份即可。