虚拟地址空间

现在我们将介绍linux 32位的虚拟地址空间，这是我们编程进阶的一个标志，4G虚拟地址空间的虚拟地址空间是每个进程的真实写照，堆区，栈区，数据区等等都将在此见证。首先我们先引入操作系统的虚拟内存：

一般而言，我们日常聊起的4G，8G的电脑都是基于RAM（随机存储器）的容量而言的。RAM由SRAM和DRAM组成。一般而言SRAM负责cpu的LV1,LV2,LV3 cahce高速缓存。用DRAM来缓存表示虚拟内存系统的缓存，它在主存中缓存虚拟页。虚拟内存对实际内存有保护作用。

    linux为每一个进程维护一个单独的虚拟地址空间，如图所示。我们在哪都可以见到这一幅图，它包含了外卖熟悉的代码，数据，堆，共享库还有栈区。

    虚拟内存包含内核中的代码和数据结构。内核虚拟内存的某些区域被映射到所有进程共享的物理页面。当然，我们的linux也将一组连续的虚拟页面（大小等于系统的DRAM的总容量）映射到相应的一组连续的物理页面中。这为内核提供一种便利的方法来访问物理内存中的任何位置。

内核虚拟内存的其他区域包含每个进程都不相同的数据。比如，页表，内核的上下文中指向代码时使用的栈，以及记录虚拟地址空间组织的各种数据结构。

Linux将虚拟地址空间分为若干个段来管理。各段信息由ELF文件的文件头中的段表来记录，段表包含了各个段的偏移量和大小。每个段都是已经存在着的虚拟内存连续片（chunk），这些页以某种方式相互关联起来。比如说：代码段，数据段，堆，共享库段，以及用户栈都是不同的区域。每个存在的虚拟页面都保存在某个区域中，而不属于某个区域的虚拟页是不存在的，并且不能被进程引用。区域的概念很重要，因为它允许虚拟地址空间有间隙。内核不必去记录那些不存在的虚拟页，而这样的页不用占用内存，磁盘或者内核本身中的其它额外资源。

回到4G虚拟内存空间，分为两部分：用户空间3G+1G的内核空间，其中用户的前128M是保留的，意义在图中表示了。为了防止小整数的操作干扰还有页的加载约定。

介绍一下各段

Text segment(指令代码段）：存放的是程序的指令。各个函数的入口地址。可执行

Data segment(数据段)：数据段存放的是程序中初始化的全局变量，静态变量（static修饰，不管局部和全局）

数据段还可以分为可读数据段和只读数据段（在ELF可执行文件的生成过程中，这两个段被合并了），可读数据段存储以上数据，可读可写；只读数据段（.rodata）存储常量诸如const修饰的变量，还有类似char *p="hello"，以及printf中的格式化字符串，还有switch的跳转表；其中hello这个字符串被保存在只读段，这是为什么不能单独修改它里面的个别元素的本质原因。

.BSS segment(Better save space)：保存未经过初始化的全局变量，静态变量以及初始化为0的全局变量，静态变量。在运行时为这些变量分配空间。说到.BSS要略微提一下COMMONt符号，COMMON是符号的特殊伪节，有三个ABS表示不该被重定位的符号，UNDEF代表未定义的符号，也就是在本模块中引用，而在别的地方定义的符号；COMMON符号代表未被分配位置的未初始化的数据目标。当然这些东西只有在可重定位文件中才有，，可执行文件是没有的。comment和.bss的区别很细微。但是现在的gcc版本根据：COMMNON为未初始化的全局变量，.bss为未初始化的静态变量，以及初始化为0的全局或者静态变量。来将可重定位目标文件中的符号分配到COMMON和.bss段中。

.Heap，堆区是程序动态内存管理的区域，一般的malloc,free,new,delete都在这一块区域行动。当然对于堆区的资源。在申请使用结束后必须手动释放，否则会发生内存泄漏。当然堆区的生长方向是由低地址向高地址生长。堆区有两个重要的系统调用brk和sbrk希望大家下去了解。

在堆区和栈区之间有一块空间，为共享库的映射空间，共享库在需要的时候被调入此块空间。

图中还有一块内存映射区，主要针对于mmap调用，当malloc申请小于128k字节的空间使用brk调用获得相应的区域，对于大于128k的动态内存申请，malloc会使用mmap映射一块匿名内存区域，就是这一块区域。

.Stack栈区，在运行时负责函数的形参，局部变量的管理，主要由esp和ebp寄存器记录当前栈顶和当前栈低的函数调用管理。栈的起始地址和堆的起始地址不固定：防止栈溢出或者是程序的攻击。

在栈区后面将会存储命令行参数和环境变量

从0xC000 0000H开始进入高端内核区，该区又分为ZONE_DMA,ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEN,具体作用如图。

最后以一个题目来考察大家对于虚拟地址空间的掌握程度

请说明下面表达式的值，在内存的哪个区域:

 

&p:___, p:____, &p1:___, p1:____,

 

p2:___, p3:___, p4:____, p5:____.

 

void (*p)(char) = foo;

 

void foo(char a)

{

static char nCount;

char p1[] = “AAA”;

char *p2  = “AAA”;

char *p3  = (char *)malloc(10);

char *p4  = &a;

char *p5  = &nCount;

}

 

A.数据段(全局变量区)    B.代码段

C.栈     D.堆   E.不一定,视调用情况而定。

作图: