[Linux] 进程地址空间

原创已于 2024-11-23 21:11:14 修改 · 941 阅读

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于 2024-11-23 21:10:01 首次发布

1.程序地址空间铺垫（以32位为例)

a.粗力度验证上面的规则:

这时候我们就可以看出地址由低到高

b.地址有增长方向的验证

栈区变量怎么办?

天然的*heap等这些就是天然的指针变量在栈上的, 堆上开辟一块空间,由栈上变量指向他
栈向下(地址空间减少的方向)增长
堆向上增长

代码验证:

不难看出堆是向上增长的,栈是向下增长的.

结论:堆栈相对而生.

c.命令行参数和环境变量的验证

核心代码:

不难看出

命令行参数整体比栈区的大, 环境变量的表又比命令行参数的大
先有命令行参数表才有环境变量表

d.环境变量字符串和命令行字符串指向哪里

我们打的是表里面的字符串的地址,也就是表里的内容

可以看出

无论是表，还是表指向的项目，都在栈上部。
未初始化变量和初始化变量会在我们进程运行期间，一直存在。

e.全局变量又是在哪个位置呢?

static变量已经被当做全局变量了

2 .这张图是物理内存吗？

先看一个奇怪的现象

核心代码:

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

int g_val = 100;

int main()
{
  pid_t id = fork();
  if (id == 0)
  {
    //child
    int cnt = 0;
    while (1)
    {
      printf("child,  pid: %d, ppid: %d, g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);
      sleep(1);
      cnt++;
      if (cnt == 5)
      {
        g_val = 200;
        printf("child change g_val: 100 -> 200\n");
      }
    }
  }
  else 
  {
    while (1)
    {
      printf("father, pid: %d, ppid: %d, g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);
      sleep(1);
    }
  }

  return 0;
}

运行结果:

我们不难发现内容不一样但是地址一样, 所以我们可以知道这个地址绝对不能是物理地址,

其实这个地址叫做:虚拟地址/线性地址

结论: 平时我们用到的所有地址,全都都不是物理地址.

所以我们最开始放的那张图不是物理内存,正确的叫法:进程地址空间.

3.进程地址空间

先说结论:

1. 每个进程都会有自己的PCB(task_struct), 也会有所对应的地址空间.

2. 地址空间和物理内存之间有个映射表

左侧虚拟地址到右侧的物理地址建立映射关系

整个过程: 子进程和父进程都有自己的表，子进程拷贝父进程的表类似于浅拷贝. 然后g_val值从100 -> 200也就是子进程开始改了，因为进程具有独立性的把原始的表拷贝一份，修改一下子进程的映射关系,不能直接修改父进程的数据，通过不同的映射关系找到不同的物理内存所以他们值是不一样的。每个进程都有自己的映射关系。操作系统会帮我们处理.

所以我们之前用if else进行分流,一个id怎么可能即>0 又等于0? 今天就能理解了父子进程执行不同的代码块时,id所映射到的是不同的物理内存变量,所以虽然虚拟地址一样但是,映射关系不同,被映射到了不同的物理内存,所以读到的物理值就不一样. 这就是为什么if else可以进行分流,同时成立的根本原因.

我们说的这么一大堆在哪里呢? 操作系统内部

而我们在哪里呢? 在上面,所以底层这一堆我们就不太清楚了

关键问题在于这些是什么?

第一个是地址空间,问题来了

什么是地址空间呢?

每一个进程，都会存在一个进程地址空间。32[0, 4GB]

小故事:剧情大概就是,大富翁有10个亿,有四个儿子,和每个儿子说你好好努力将来把10个亿给你.

在这里面,10个亿就是物理内存, 大富翁就是操作系统,饼就是进程空间地址,每个儿子就是进程.

这里可以引出地址空间的本质:就是操作系统给每个进程画的一张大饼,人均一个.

饼要管理吗?即操作系统要不要对地址空间做管理？

先描述,再组织.

什么是进程地址空间?

数据结构,具体到进程中,就是特定的数据结构对象.

在操作系统内部就是数据结构之间的关系.

进程地址空间属性有哪些?

如何理解各个区域？

故事2:

大家上小学的时候,都是两人一组的坐,这个时候都会出现同桌文具什么的到自己的这边来了,占用了自己的位置,这时候就会画界限,谁都不能越界.

小A,小B画界限的目的是什么呢?

区域划分.

如何用计算机的语言描述小B的动作呢?

这个时候小B怎么判断小A越界了呢?

小A文具和在60 的位置,在属于小B的区域.

小B为了惩罚小A,小B扩大了区域划分(伪代码看个理解就行了)

结论:

1.区域划分可以判断是否越界

2.区域划分可以扩大或者缩小范围

如果让你设计进程的地址空间,该地址空间中必定有的字段是什么?

用整数描述的各个区域，包含区域的开始和结束。

可以再内核里边看，有一个指针指向内核进程地址空间.

区域划分的本质是，区域内的各个地址，都可以使用。

我们的地址空间，不具备对我们的代码和数据的保存能力! 也就是在物理内存中存放!

将地址空间上的地址（虚拟/线性）转化到物理内存中！

给我们的进程提供一张映射表 -- 页表

意思就是:这个是我们进程PCB的大概流程

虚拟地址到物理地址经过页表转换到物理内存就可以访问它了.

这个转换过程是谁来做的?

CPU中一个叫MMU的硬件自动完成

CR3保存的是物理地址，虚拟地址是给进程的 -- 用户的