虚拟地址空间

一.程序地址空间(其实就是虚拟地址空间)回顾

我们在以前学习C/C++时，见过这样的布局图，可是我们对它并不理解！

本节我们将对它有一个全面的理解

二.虚拟地址

问题1.什么是虚拟地址？

问题2.什么是虚拟地址空间？

问题3.虚拟地址与物理内存地址有什么关系？

问题1：

下面的代码中val的地址其实就是虚拟地址

问题2：

虚拟地址空间中存储的地址就是虚拟地址

问题3：

虚拟地址空间和物理内存之间有一套页表，数据和代码对应的虚拟地址和物理内存地址一一映射在页表，虚拟地址通过页表的映射关系找到物理内存地址

原因：我们可以看到实验的现象：父进程和子进程的val值不同，但是地址却是一样的，难道是我们以前所学内容出错了吗，一个地址难道可以存储多个内容吗？显然不能，我们所学的内容也并没有出错，而是因为我们在这里所取到的地址不是实际的物理地址，而是一个虚拟地址!，数据存储在物理内存地址上，我们知道，父进程与子进程是独立的，互不干扰的，所以当子进程想要更改val时，会发生写时拷贝，系统会在物理内存上新开辟一个空间，并将val拷贝过去，将这个物理内存空间交给子进程，子进程进行更改，所以实际上父进程和子进程的val在物理内存地址上实际是不一样的，但是父子进程的val的虚拟地址是一样的，所以在用户层面我们取到的地址是一样的，只不过通过页表的不同映射关系，父子进程得到了不同的val值

阶段性全过程理解：

在我们创建一个进程时，系统会先创建对应进程的PCB，PCB中包含了一个mm_struct的结构体，它就是所谓的虚拟地址空间，它的内部会对内存(虚拟)进行区域划分（划分成我们以前理解的空间样式，比如mm_struct使用start_code,end_code,start_data,end_data等进行区域划分），然后给代码数据对应的内容进行地址分配，数据和代码所分配到的这个地址就是虚拟地址，然后将这些虚拟地址填入到页表的一列中，当系统将该进程对应的代码和数据加载到物理内存时，会将代码和数据对应的物理内存的地址填入到页表的另一列中，于是虚拟内存地址就和物理内存地址就有了一一映射的关系，于是我们就可以通过虚拟内存地址找到实际存储的物理内存地址

三.虚拟地址空间

虚拟地址空间可以用一个例子来理解：虚拟地址空间其实就是系统给每一个进程画的一张大饼，让每一个进程都认为自己有4GB的物理内存或者都认为自己在独占内存，实际上系统只会给每个进程先分配一小段内存，然后根据实际所需物理内存大小再灵活调整(因此物理内存上并没有什么区域的划分，交给进程的内存也可能不是连续的，由系统分配)

由6个问题理解虚拟地址空间！！

问题

问题1.虚拟地址空间mm_struct的空间划分在存储上是动态的还是静态的？

1.1.如何完成每个区域空间管理的？

问题2.进程与虚拟地址空间，页表之间的对应关系是怎样的？

问题3.程序启动时，先创建PCB还是先加载代码和数据？

3.1 缺页中断

3.2 一个进程可不可以只有PCB在内存上

问题4.mm_struct初始化是怎么初始化的？初始化的值从哪来？

问题5：如何理解挂起？

问题6：为什么要有虚拟地址空间？

问题1 && 1.1：

是动态的，mm_struct本身内部记录的是对整个虚拟地址区域的划分，比如代码区，已初始化数据区，未初始化数据区的起始地址，结束地址等，对存储虚拟地址的管理实际上是通过很多个vm_area_struct(VMA)管理的(先描述！)，其内部会记录当前段的起始地址和结束地址等数据，然后用链表的方式连接起来(再组织！)，因此每个区域的数据大小可以通过VMA来灵活调整

问题2：

一个进程有一个自己的虚拟地址空间，有一套自己的页表！

问题3 && 问题4：

全过程理解：

执行一个程序前，系统会先在内核创建一个对应的PCB,PCB内部的mm_struct先初始化，此时只是对虚拟空间的边界进行划分，VMA并没有被创建，在后来根据需要先对可执行文件进行解析，根据编译好的文件创建VMA，并将虚拟地址填入到页表中，然后当程序真正被CPU调度时，会发生缺页中断，系统将对应的代码和数据加载到内存上，然后再将代码和数据的物理内存地址填到页表上，再让CPU调度执行

有了VMA，我们也可以理解为什么可以malloc申请多段的堆空间了，本质上是在堆对应的区域上创建多个VMA(进一步对区域划分)

整个过程可以理解为“开一家书店”

先办营业执照→画规划图→根据规划图创建分区 + 贴分区标签→顾客来取书时→放书 + 填映射表

创建task_struct -> 初始化mm_struct -> 创建对应的VMA + 填页表 -> CPU调度执行 (缺页中断) -> 数据和代码加载到内存 + 填页表

3.1缺页中断：

在CPU调度执行时，页表上有虚拟地址但没有物理内存地址，此时CPU并不能通过虚拟地址找到实际的物理内存地址，这时发生的中断就叫做缺页中断

3.2 一个进程可不可以只有PCB在内存上 :

可以，当物理内存空间不足时，可以只创建task_struct，在CPU调度时发生缺页中断，加载到内存上再调度即可

问题5，如何理解挂起？：

物理内存空间不足时，会先将在硬件等待对列中进程的代码和数据唤出到磁盘的swap分区中，在硬件准备好，CPU调度时发生缺页中断，再从磁盘中唤入即可

问题6：为什么要有虚拟地址空间？：

a.将地址从“无序”变“有序”

b.地址转换的过程中，系统可以对你的地址和操作进行合法性判定，进而保护物理内存！

野指针:在使用野指针访问时，系统会判断指向哪个分区的，如果出错，系统就可能直接杀掉这个进程，即使不出错，编译器也会以以warning提醒

char* str = "helloworld"; *str = 'H' 为什么在字符常量区写入，就会崩溃？str记录的是h的地址，h在字符常量区，不可被修改，所以在该区域写入，系统在查找页表的时候，根据权限拦截了！

c.让进程管理和内存管理，进行一定程度的解耦合(进程和内存之间通过页表连接)！！