【Linux】进程地址空间

一、进程地址空间的概念

1、虚拟地址空间

以下是虚拟地址空间分布图：

操作系统会给每一个进程都创建一个独立的虚拟地址空间，虚拟地址也叫线性地址，因为虚拟地址空间中的地址是线性增长的。通过页表将虚拟地址中地址和物理内存中的地址进行一个映射，所以我们平常看到的地址都是虚拟地址空间中的虚拟地址，而不是真实的物理地址。

2、页表+MMU

操作系统会给每个进程分配一个页表，该页表使用物理地址存储。当进程使用类似 malloc 等需要映射数据时，操作系统会马上修改页表以加入新的物理内存。当进程完成退出时，内核会将相关的页表项删除掉，以便分配给新的进程。

页表和MMU的作用就是可以通过映射关系，将虚拟地址空间的数据映射到物理内存中。

3、写实拷贝

当进程的任何一方，尝试写入某些数据时，操作系统会先进行数据的拷贝，然后更改页表映射，最后再让尝试写入的进程对数据进行修改，操作系统这样的技术被称之为写时拷贝。写实拷贝在某些场景下，可以减少拷贝构造，进而提高效率。

二、进程地址空间的管理

因为进程之间是有独立性的，所以操作系统会给每一个进程分配一个进程地址空间，如果操作系统中存在很多的进程，为了保证每个进程能够正常运行，因此操作系统需要将每个进程的进程地址空间进行管理。

然而我们在前面也学过管理的本质：先描述，再组织。操作系统会使用一种内核数据结构对进程地址空间进行管理，操作系统会创建一个 mm_struct 的结构体。同时为每个进程创建一个 mm-struct 类型的结构体对象。

进程地址空间被分为很多的区域，例如：堆区，栈区，代码区，未初始化数据区，初始化数据区等等，操作系统会将这些区域分成一个区间[start, end]，然后来维护这一区间。

struct mm_struct
{
    //代码段
    unsigned long code_start;
    unsigned long code_end;
    //初始化数据段
    unsigned long init_start;
    unsigned long init_end;
    //栈区
    unsigned long stack_start;
    unsigned long stack_end;
};

这样的话，对地址空间进行管理就比较方便了，想要对地址空间区域进行调整，只需用改变区域变量 start 和 end 就行。

三、进程地址空间的作用

1、防止地址随意访问，保护物理内存与其他进程

非法的访问或者映射，操作系统都会识别到的。一但你进行了非法的访问或者映射，操作系统就会终止掉你的程序。例如：直接使用物理地址，如果我们的代码写错了，就有可能导致越界非法访问或修改其它地址处的数据，有了虚拟地址和页表的出现，如果出现进程非法访问或者非法读写的操作，页表就可以直接对其进行拦截。地址空间有效的保护了物理内存。

2、将进程管理和内存管理进行解耦合，保证进程的独立性

每一个进程都需要有独立的进程地址空间及页表，并通过页表映射到不同的物理内存中，一个进程数据的改变并不会影响另一个进程。对于父子进程也是同样的道理，父进程/子进程在修改数据时会发生写时拷贝，并不会影响彼此，所以保证了进程的独立性。

进程的独立性，使一个进程对数据的修改，而另一个进程不受影响。

3、可以让进程以统一的视角，看待自己的代码和数据

虚拟内存是操作系统欺骗进程的一种手段，进程在看待进程的时候都认为自己拥有整块内存，然后开始对着“这块内存”开始布局自己的代码和数据，但是实际上这些代码和数据到底存没存储起来，还得看操作系统，但是站在进程的角度，它是认为我们已经布局完整个内存了！进程是看不到真实物理内存的！进程只能看到进程地址空间！

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