进程地址空间

目录

前言

一、程序地址空间

二、进程地址空间

2.1 大致原理

2.2 有关地址空间细节

2.3 有关页表细节

前言

在我们之前学习的过程中，大概知道程序的地址空间是这样分布的：

其实这样的理解并不全面，今天就让我们来深入了解程序的地址空间。

一、程序地址空间

我们首先写一个程序看看不同类型的数据在内存中的存储情况：

可以看到运行结果是符合我们之前学习的存储逻辑的。

接下来我们再看段代码

这段代码让子进程在循环五次后改变g_val的值，我们来看看运行结果：

        在改变之前，其结果是符合我们的逻辑的，子进程和父进程共享着g_val这一个变量，因此它们的值、地址都是相同的。可是在子进程修改后，怎么可能同一个变量，同一个地址，同时读取时读到了不同的内容呢？？

        由此我们可以推断出：这个变量的地址，绝对不是物理地址。

        其实在平常我们写C/C++时用的指针，其地址都不是物理地址，我们把它称为虚拟地址，或者线性地址。

二、进程地址空间

2.1 大致原理

        所以之前程序地址空间这个说法是不准确的，应该是进程地址空间。

我们看一下图就可以理解了：

        当我们运行一个程序时，实质上它会变成一个进程，此时在操作系统内核中一定会为该进程创建一个PCB，即struct task_struct。如图，一旦父进程PCB创建，此时它不会直接映射到物理内存中，而是指向一个专属于它的进程地址空间，紧接着还会为当前的父进程构建一个页表，其中有虚拟地址、物理地址，假设父进程中有一个初始化的数据，其虚拟地址就会存到页表中，页表根据虚拟地址转化为物理地址，此时就可以访问到物理地址中的内容。

        当我们创建一个子进程时，它会基本以父进程为模版，来初始化它结构体内部对象的值，当然也会把父进程的进程地址空间拷贝一份，其虚拟地址转化后的物理地址的指向和父进程都是一样的：

        当我们在子进程修改g_val时，在系统层面上就识别了我们要在0x405c这个地址进行写入，系统顺着物理地址找到了这个变量，发现是与父进程共享的，因此在写入之前会重新开辟一段空间，再把页表中的物理地址改为新空间的：

        这个操作我们称为写时拷贝，它是由操作系统自动完成的，在这个过程中，左侧的虚拟地址是0感知的，不会影响到它。

2.2 有关地址空间细节

那么地址空间究竟是什么呢？我们要如何理解地址空间上的区域划分？

        在32位计算机中，有32位的地址和数据总线，每一个总线只有0/1两种，因此会有2^32byte（2^10byte=1KB）即4GB大小的空间 。

        因此地址空间就是计算机能访问到的物理内存的最大数据范围。

        区域划分就是在地址空间内对各种区域划分，对线性地址进程start和end即可。

综上可得，地址空间本质上是内核的一个数据结构对象，类似PCB一样，它是一个mm_struct结构，在32位系统上默认划分的区域是4GB，地址空间也是要被操作系统管理的：先描述，再组织：

那么设计地址空间的意义在哪里呢？

        有了地址空间，进程在访问物理内存时就会经过一个中间转换的过程，此时可以做系统级别的检查，从而可以有效拦截进程的非法操作，该请求就不会到达物理内存，保护了物理内存。

2.3 有关页表细节

        我们已经知道，在进程创建时，系统还会为他构建一个页表，这个页表是存在CPU的cr3寄存器中的，在这个寄存器中会保存页表的地址，它本质属于进程硬件上下文，即使进程切换走，它也是会把寄存器中的地址带走的，当切回时又恢复上来，因此自始至终进程都可以找到它自己的页表。

       那么对于各个数据，我们怎么知道它是只读还是可写的呢？其实页表还有一个项来表示当前访问的物理内存是读、写还是可执行的：

        如图，假设一变量是在常量区的，当你想请求进行写操作时，操作系统能直接识别到你要访问这个地址，但是这里是只能读的，操作系统就会直接拦截你，你的进程相当于进行了一次非法操作，操作系统就会直接杀死你这个进程。

        因此页表可以给我们提供很好的权限管理。

        我们也知道进程是可以被挂起的，这要怎么知道进程的代码数据是否在内存中呢？

        页表中其实还存在一个标志位，它用来记录对应的代码和数据是否已经被加载到了内存：

        要知道操作系统对大文件是分批加载的，像一些大型游戏高达上百G，操作系统就采用惰性加载，承诺给你多大的空间，但是在真实使用时是在物理内存中几乎是用多少给多少。在页表中就会先把虚拟地址填好，物理地址不填，要转化时先看页表中的标志位，如果标志位为已加载，则可以直接读取物理地址找到它在物理内存中的位置进行访问，否则操作系统会触发缺页中断，此时就会在物理内存中开辟一段空间，把当前可执行的代码数据加载到内存里，然后把这段物理地址填到页表当中。所以说写时拷贝也是一个缺页中断。

        所以在进程被创建时，先会创建内核数据结构，而不是先加载对应的可执行程序。

        经过上面的学习，可以发现有了页表和进程地址空间的存在，进程管理和内存管理就解耦合了，这样就会防止一旦内存管理出问题，也会影响到进程的问题了。