【linux】：进程地址空间

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前言

本篇文章接着上一篇文章继续讲解进程，主要讲述了进程在运行过程中是如何在内存中被读取的以及为什么要有虚拟地址的存在，CPU在运行过程中是拿到程序的虚拟地址还是真实的物理内存。

一、进程地址空间

下面我们先写一个程序用来引出问题：

先写一个.c程序和makefile文件

我们通过创建一个子进程的方式，让子进程中的全局变量val改变而父进程不会改变，这样的结果在我们的预期中应该是子进程修改了全局变量导致父进程中的这个全局变量的值也发生改变，那么我们运行起来看看结果：

我们发现全局变量val的地址是一样的，但是值却不一样了，子进程修改了全局变量，但是在父进程中为什么全局变量没有被改变呢？这是因为进程具有独立性，进程 = 内核数据结构+代码数据 也就是说每个进程的内核数据结构和代码数据也是独立的。那么val经过写时拷贝应该有两个不一样的地址才对，为什么打印出来的地址是一样呢？我们假设这是物理地址，有没有可能读取同一个变量的地址竟然会读到不同的数值呢？这是不可能的，既然是物理地址那就是唯一的，所以这一定不是物理地址！这就引入了我们今天所学习的虚拟地址，也叫线性地址。

进程地址空间本质就是一个内核数据结构，struct mm_struct{},下面我们画图描述一下：

如上图，首先一个进程中存放的是虚拟地址，在虚拟地址中又分为内核空间和用户空间，在用户空间中从低地址到高地址分别有正文代码，初始化数据，未初始化数据，堆，共享区，栈，命令行参数环境变量，而这些区域是如何划分的呢？其实很简单，只需要一个结构体即可：

就比如正文代码和初始化数据的划分只需要修改结构体中的start和end即可，像栈区的扩大堆区的缩小原理都是修改相对应区域的区间即可。那么地址空间又如何存储数据的呢？CPU和内存是用总线连接的，比如32位系统就用32根线连接，而这些线只能用0和1表示代表二进制，一共有2的32次方种排列方法。

如上图所示，进程地址空间就是一个线性范围，每个数字都是一个地址，而地址空间本质就是线性的。那么我们既然用的是虚拟地址又如何将数据保存到真实的物理内存呢？

虚拟地址通过页表+MMU映射到物理地址，MMU就是内存管理单元。也就是说进程先通过虚拟地址再由页表和MMU将虚拟地址映射找到其物理地址，这样我们就能解释为什么相同的地址却有不同的值，如下图：

父进程中大部分数据被子进程继承后两个进程都是一样虚拟地址，既然虚拟地址一样那么通过页表肯定也映射到相同的物理内存中了，当子进程要修改val 的时候是不能直接修改的，因为进程具有独立性如果子进程修改成功就会影响父进程，所以在子进程要修改的时候发生了写时拷贝，如下图：

由于发生写时拷贝只改变页表中的V值不改变K值所以虚拟地址是一样的而val不一样。

那么如果没有虚拟地址空间，操作系统是如何工作的呢？

如果没有虚拟地址那么直接访问物理内存，这样的方式是不安全的，一旦我们写的代码有问题或者出现野指针的情况，不小心将其他进程的数据修改了，那么就会出现很大的问题，虚拟地址可以保证在出现野指针等情况时直接拒绝映射到物理内存，这样你就访问不到物理内存，也就不会随意访问到其他进程的数据。所以虚拟地址空间的第一个作用是：防止地址随意访问，保护物理内存与其他进程。就比如这样的代码：char* p = "hello world"这样的代码我们是不能以p[0] = 'H'这样的方式修改的，因为hello world是保存在常量区的，对应的页表中的权限为r也就是只读权限所以我们不可以去修改。

那么当我们向操作系统申请内存，操作系统立马把内存给我们还是等我们用的时候再给呢？由于操作系统不允许任何的资源浪费，所以一定是在需要的时候才给空间。当然在我们申请内存成功后和使用之前，会有一段小小的时间窗口，在这个时间内即使空间没有被使用，别人也用不了这块空间，这叫做空间的闲置状态。由于页表的存在所以我们并不关心我们的代码放在物理内存的哪个位置只要存放在物理内存就可以了，这样就有了虚拟地址的第二个优点：将进程管理和内存管理进行解耦合。 也就是说我们不用再像没有虚拟地址的时候那样直接存放在物理内存导致进程管理和内存管理在一起相互管理，有了虚拟地址就可以分开管理进程和内存。

当我们的程序再被编译的时候，没有被加载到内存，那么我们的程序内部有没有地址呢？答案是有地址。因为在编译的时候就有了相应的代码段和数据段，所以源代码在被编译的时候，就是按照虚拟地址空间的方式进行对代码和数据早就已经编好了对应的编制。那么CPU中读到的数据中涵盖的这个地址是虚拟的地址还是物理的地址呢？答案是虚拟的，因为程序在编译的时候就包含了虚拟地址，虚拟地址加载到内存后就具备了物理地址，然后通过映射就可以找到物理地址，而当程序加载到CPU中的时候CPU是看不到物理地址的，因为物理地址是由页表映射而来的，所以CPU只能看到虚拟地址。 这就引出了虚拟地址的第三个优点：可以让进程以统一的视角，看待自己的代码和数据。

总结

本篇文章的重点是如何理解虚拟内存，我们通过画图的方式展示了进程地址空间，并且提到了虚拟内存的三个优点:1.将进程管理和内存管理进行解耦合 2.防止地址随意访问，保护物理内存与其他进程 3.可以让进程以统一的视角，看待自己的代码和数据