Linux进程理解【程序地址空间】

文章目录

Linux进程理解【程序地址空间】
1. 话题引入
2. 进程地址空间
- 2.1 虚拟地址
- 2.2 写时拷贝
3. 知识扩展

我们先来看看C/C++程序地址空间的分布图

如此多区域的划分是为了更好的使用和管理空间，但是真实的内存空间也是按照图上的地址空间这样划分的吗？其实并不是，那么这样划分的不是内存是什么呢？真正的内存又在哪呢？且带着这些问题，本文将对这些疑惑一一解答

1. 话题引入

我们定义一个变量，创建父子进程共同使用这个变量，并子进程中对其做出修改，来看看现象

int main()
{
  pid_t id = fork(); //获取返回值
  assert(id != -1);  //创建失败的情况
  int num = 100;

  if(id == 0) //子进程
  {
    num += 12; //子进程中改变num的值
    printf("我是子进程, 我的PID是: %d，PPID是: %d, num = %d, num的地址: %p\n", getpid(), getppid(), num, &num);
  }
  else if(id > 0) //父进程
  {
    printf("我是父进程, 我的PID是: %d，PPID是: %d, num = %d, num的地址: %p\n", getpid(), getppid(), num, &num);
  }

  return 0;
}

我们运行发现，在同一块地址空间，读到了不同的值

分析：

物理地址是唯一的，如果这里表示的是物理地址的话，不可能在同一个变量的地址上，读取到两个不同的值，所以这个地址一定不是物理地址

结论：

子进程修改变量值的时候，发生了写时拷贝机制
语言层面用的地址，不是物理地址，而是被称为虚拟地址或者线性地址

2. 进程地址空间

所以上面空间分布图其实是虚拟空间的分布图，下面我们来看看真实的空间分布图

2.1 虚拟地址

下面我们结合两个小故事来帮助大家理解

小明今年初三，妈妈每个周末都会给他布置作业，临近期末考试，妈妈对小明说，如果他考进了年级前十下学期就把周末的作业免了，小明高兴极了，更加努力的学习，真的取得了年级前十。马上下学期开学了，到了周末妈妈又给小明布置了作业，小明有苦说不出，只能继续照做。

故事中妈妈给小明画了一个免除作业的饼，类比一下，这个饼就是虚拟地址空间，而小明就是一个进程，妈妈就是操作系统，说来虚拟地址空间就是操作系统给进程画的饼，而妈妈在下学期周末又布置的作业就是内存了
妈妈为了激励小明学习是要管理这张饼的，也就对应着操作系统需要管理击进程地址空间，也是用了先描述，再组织的方式，而虚拟地址空间本质就是操作系统中的一个内核数据结构 mm_struct

开学第一天小沸和小美被老师安排成了同桌，小沸是个有些邋遢的男生，而小美是个很爱干净的女生，小美对于小沸很是嫌弃，当即就在桌子上画清了三八线，对小沸说，桌子三分之二都是我的，你只能在线那边的三分之一，小沸听了虽然有些伤心，但还是笑眯眯的答应了。

在小美画的三八线两侧两人井水不犯河水，这里区域划分的本质就是对线性区域指定start和end来完成区域划分

在mm_struct结构体中，也是如此划分，通过对边界值的调整，还可以做到不同区域的增长

mm_struct
{
	//代码区划分
	unsigned long code_start;
	unsigned long code_end;

	//堆区划分
	unsigned long heap_start;
	unsigned long heap_end;

	//栈区划分
	unsigned long stack_start;
	unsigned long stack_end;
	
	// ......
}

虚拟地址空间，加上页表 + MMU机制，通过寻址的方式，进行物理内存的访问

如何理解这个地址空间是线性连续的呢?

在使用visual studio进行调试时，打开内存会发现我们的地址空间中的地址是用16进制表示的，32位计算机下范围是[0x00000000, 0xFFFFFFFF]，有4G的空间大小
地址是多少不重要，关键是地址具有唯一性，不能发生冲突，每个地址值对应的就是一个字节。所以因为表示地址数字是连续的，所以这里说地址空间是线性连续的

2.2 写时拷贝

写时拷贝

多个进程在访问同一个数据时，会指向同一块空间
当发生数据改写行为时，再重新开辟空间进行改写，这就是写时拷贝机制
写时拷贝其实是一种赌bo行为，OS会赌你不会对数据做出修改，来提高效率

了解了以上，我们就能对最开始的问题：为什么同一块地址空间，会读到了不同的值做出更好的解释了

父子进程有着一模一样的mm_struct，变量对应的虚拟地址，通过页表 + MMU的转换，指向同一块内存空间
子进程对变量的改写，为了不影响父进程，此时OS会触发写时拷贝机制，在内存中重新开辟一块空间拷贝变量值，再来对其进行改写，父子进程的mm_struct并不改变，改变的是物理内存空间

3. 知识扩展

没有虚拟地址空间，操作系统是如何工作的

早期在没有虚拟地址空间的时候，是直接在物理地址上进行数据读写的，当我们多个进程加载到内存时，其中有个进程时访问地址的操作，然后给到CPU，CPU返回给这个进程一个不是本进程而是其他进程的地址，这样假如我们本进程要进行写入或者删除的操作，这样就会影响到了其他进程，这样就无法保证进程的独立性

于是大佬们就引入了虚拟地址空间，加上页表 + MMU机制，通过寻址的方式，进行物理内存的访问，体现了不菲的价值

防止地址随意访问，保护物理内存和其他进程
将进程管理和内存管理进行解耦合
让进程以统一的视角看待代码和数据

再来看看申请内存malloc的本质

我们向操作系统申请空间，操作系统是你在需要的时候才会给你，而不是立马给你，因为操作系统是不允许任何的浪费或者不高效的行为
在你申请成功之后和在你使用之前，这块空间有一段的闲置状态，操作系统为了不让空间浪费，首先是在虚拟地址空间申请空间，然后将对应的虚拟地址放进页表，但是没有映射处物理地址，物理内存上也没有申请空间，这种行为就叫做缺页中断

进阶理解虚拟地址空间