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Linux進程地址空間詳解

更新時間：2024年10月04日 10:45:35 作者：??小陳在拼命??

在C語言編程中,內存管理是一個重要的環(huán)節(jié),本文詳細解析了C語言中的內存區(qū)域劃分,包括棧區(qū)、堆區(qū)、全局區(qū)等,并探討了fork函數的遺留問題,即如何出現(xiàn)一個變量同時等于0又大于0的情況,此外,文章還深入討論了進程地址空間的概念

一、C語言內存管理基礎

引入：以前我們知道一個指針指向的如果是一個常量字符串，那么這個就是指向的常量區(qū)，只讀不可被修改，因此下面的程序會崩潰。

1、在我們C語言內存管理機制里面線性地址是有區(qū)域劃分的。

我們如何驗證這個區(qū)域的劃分是否正確呢？

可以通過代碼的方式在不同的區(qū)域創(chuàng)建變量然后來取地址獲取再進行比較

2、棧區(qū)和堆區(qū)是相對而行的??！

驗證棧區(qū)：地址在變低

驗證堆區(qū)：地址在變高

3、靜態(tài)變量會被定義在全局區(qū) 只不過只會在作用域里使用。

二、fork遺留問題

歷史遺留問題：為什么一個變量可以同時等于0又同時>0 ??

實驗：

我們會發(fā)現(xiàn)同一個地址竟然讀到了不同的內容?。?如果變量的地址是一個物理地址，是絕對不可能出現(xiàn)這種情況的，因此我們的變量地址必然是不是物理地址??！

——>結論：我們平時C/C++里面使用的地址全都不是物理地址，而是虛擬地址！用戶是看不到物理地址的，而OS必須要負責將我們所看到的虛擬地址轉化成物理地址！

三、進程地址空間

其實我們的之前所學的線性地址，并不是真正的物理內存，而是在PCB內部有一個指針指向了一塊進程地址空間，然后虛擬地址會通過頁表來映射到具體的物理地址。 ——>所以當我們創(chuàng)建出一個子進程后，他會拷貝一份和父進程一樣的地址空間，然后當子進程想要修改對應的數據時，此時就會發(fā)生寫時拷貝（由操作系統(tǒng)自動完成），也就是重新開辟空間，在這個過程當中只有頁表對應的物理地址發(fā)生了變化，左邊的地址空間不會有任何的感知。

3.1 什么叫做地址空間

在32位的機器中，有32位的地址和數據總線，所以每一根地址總線有0或1，其實從本質上來說計算機能夠識別是高低電頻而并非二進制，所以1代表的是高電頻，0代表的是低電頻。——>這個過程就是CPU通過像內存充電的形式告訴內存我需要哪個地址，然后內存就能夠通過識別高低電頻，形成一個物理數據，將地址對應的數據以同樣的方式交給CPU。

所以地址空間就是地址總線排列組合形成的地址的范圍【0,2^32】

3.2 如何理解地址空間的區(qū)域劃分？

舉個例子：比方說當前的桌子有100cm長，坐著小胖和小美，但是小胖經常騷擾小美，所以就在桌子中間畫了一個三八線。一人只有50cm的空間。所以從結構上就可以如下劃分：

區(qū)域劃分就是通過結構體內部的start和end去做劃分

如何理解區(qū)域的變大或者變小呢？？——>修改對應結構體內部的start和end即可

我們不僅要看到地址空間的范圍，我們要知道在范圍內連續(xù)的空間中，每一個最小單位都可以有地址，這個地址可以被直接使用??！

3.3 什么是進程地址空間

所謂進程地址空間，本質上就是一個描述進程可視化范圍的地址空間內存在各種區(qū)域劃分，對線性地址進行start、end即可。本質上其實就是一個內核數據結構，和PCB一樣，地址空間也是需要被/操作系統(tǒng)管理的：先描述再組織。而每一個進程都有自己的進程地址空間，PCB內部有一個指針指向這塊空間！

四、頁表

共識：現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎不做浪費空間和時間的事情！

4.1 寫時拷貝、缺頁中斷、惰性加載

頁表具體有哪些內容呢？？——>虛擬地址、物理地址、讀寫權限、標志位（對應的代碼和數據是否被加載到內存中）

讀寫權限就可以幫助我們做檢查，比方說當前是常量字符區(qū)但是你卻想修改，就會被/操作系統(tǒng)攔截，該非法請求就不會被發(fā)送到物理內存。

標志位就是幫助們判斷進程的代碼和數據是否被加載到內存中，因為我們知道我們的進程對應的代碼和數據是有可能處于掛起狀態(tài)的（還沒加載到內存）。

惰性加載：其實就是需要多少就加載多少。操作系統(tǒng)對大文件是可以實現(xiàn)分批加載，也就是說當前的進程可能只有PCB在內存中，但是代碼和數據可能還沒馬上加載進來。

缺頁中斷：在執(zhí)行進程的時候如果發(fā)現(xiàn)標記位顯示當前代碼和數據沒有加載起來，就會發(fā)生缺頁中斷，也就是暫時中斷這個進程，然后等代碼和數據加載進來之后，再恢復原來的狀態(tài)繼續(xù)運行。

問題：一次加載進去不是更快嗎，為什么需要檢測了之后才通過缺頁中斷加載進去？？

——> 一方面是因為可能這個文件特別大，所以沒辦法一次加載進去，就算是可以一次加載進去，可是你用不也是一點點去用么？？所以缺頁中斷解決的是初步局部性加載的問題，能夠更合理的去使用內存！！

寫時拷貝：數據區(qū)的數據是按道理是可寫的，但是一開始權限會被設置成只讀（意思就是當前父子進程共享），一旦父子進程任意一方嘗試做修改的時候，發(fā)現(xiàn)當前的數據是只讀的（但是這里不做異常處理，而是轉而發(fā)生寫時拷貝），然后開辟一塊新的物理內存，修改頁表的映射

4.2 進程地址空間是如何切換的

進程PCB結構體里有對應的進程地址空間指針，所以進程切換就以為這進程空間地址空間被切換，而頁表會被存儲在CPU的cr3寄存器中，這其實屬于進程的上下文信息，在進程切換的時候會被進程帶走，后面再恢復過來??！

4.3 進程創(chuàng)建的具體過程分析

進程被創(chuàng)建的時候，優(yōu)先加載的是PCB結構體以及里面對應的進程地址空間結構體，然后他的代碼和數據可能不會馬上被加載進來。

4.4 再次理解進程具有獨立性

1、在內核數據結構上是獨立的

2、物理內存中加載的代碼和數據，只需要再頁表上去體現(xiàn)。虛擬地址可以一樣，但是通過頁表映射不同的物理地址，就可以讓父子進程解耦，一旦發(fā)生了任何異常，你釋放你的我釋放我的。

3、通過頁表的虛擬地址映射物理地址，可以隨便取地址，甚至是亂序。但是虛擬地址可以將一個線性的地址呈現(xiàn)給進程。

五、為什么要有進程地址空間？（重點）

所以我們可以對進程進行一個再總結：

講個故事1：

一個大富翁（操作系統(tǒng)）有10億美金，而他有四個私生子，但是四個私生子（進程）都并不知道對方的存在，所以他們都認為大富翁只有他唯一一個兒子，而大富翁告訴他們一旦自己去世了，就把所有的家產留給他，所以每個兒子也都信了，所以大富翁其實給每個私生子都畫了一個大餅（進程地址空間）。每個人都認為自己有十億家產。但實際上是這些私生子要多少才會給多少（進程需要多少空間操作系統(tǒng)就給多少空間）

結論1：讓進程以統(tǒng)一的視角看待內存 這樣我進程就不需要關心說具體應該放在物理內存的什么位置，也不需要關心當前這個物理內存是否會影響別人的數據，這些工作都由操作系統(tǒng)去完成。

故事2：

你過年的時候經常有壓歲錢，但是你還小所以你經常會買到一些沒有用的東西，于是你的媽媽就讓你把錢交給他保管，等你需要買什么的時候，他再把錢給你，比如說當你想要買個一塊錢的橡皮時，你媽媽就給了你一塊錢，但如果你想花100塊錢買個游戲機的時候，你的媽媽就不給你買，所以這個過程其實媽媽的作用就是會阻止你做一些不太適合的事情。

結論2：增加虛擬地址空間，可以讓我們訪問的時候增加一個轉換的過程，在這個轉化的過程中我們可以對我們的尋址進行審查，所以一旦異常訪問，直接攔截，該請求就不會到達物理內存，從而保護物理內存

結論3：因為有地址空間和頁表的存在，將進程管理模塊和內存模塊進行解耦合！

申請物理內存的哪一塊？優(yōu)先加載可執(zhí)行程序的哪一部分？？又或者頁表填寫到什么地方？？這是有Linux的內存模塊去管理的，進程并不需要關心。

結論4：其實變量名在定義的時候就已經被轉化成一個個虛擬地址了，而我們之所以有a和&a，本質上是為了區(qū)分想獲取的是變量的值還是地址。

結論5：以前我們所學習的C內存管理，其實本質上是進程地址空間，而內存管理是由Linux替我們完成的，我們上層語言并不需要關心具體的細節(jié)，只需要正常去通過對應的線性地址去使用就行了。

六、命令行參數和環(huán)境變量在棧的上面

所以環(huán)境變量和命令行參數是在棧之上的一個獨立空間。所以為什么子進程可以繼承父進程的環(huán)境變量，因為子進程啟動時，父進程已經把對應的環(huán)境變量信息加載進去了，他也是地址空間的一部分，所以他必然有頁表去幫助我們建立虛擬地址和物理地址的映射，而當子進程創(chuàng)建的時候，子進程也會將父進程虛擬地址空間當中的環(huán)境變量的相關參數也給我們建立了一份映射，所以即使你傳參數，子進程也照樣能夠獲得父進程的環(huán)境變量信息。