Linux 进程地址空间

进程地址空间

C/C++对空间的划分

• 这个图中展示的内容是在内存吗？

  我们称这个区域为地址空间。

图示

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

int val_1;//未初始化全局变量
int val_2=100;//已初始化全局变量

int main()
{
  printf("code address: %p\n",main);//代码区
  const char *str="hello world";//字符常量区
  printf("str address: %p\n",str);//为什么是str，str就是保存的字符串常量的起始地址。

  printf("val_2 address: %p\n",&val_2);
  printf("val_1 address: %p\n",&val_1);

  char * mem=(char *)malloc(100);//堆区
  printf("heap address: %p\n",mem);

  printf("stack address: %p\n",&str);//栈区，局部变量在栈区
}

• 栈区的地址是向下增长，堆区的地址是向上增长。堆栈相对而升。

• static 修饰的变量

  为什么用 static 修饰的变量，就不会随着函数调用而被释放？
  因为 static 修饰的局部变量，在编译时已经被编译到全局数据区了，所以才不会被释放。

• 结论

  如果变量的地址是物理地址，不可能存在父子进程访问的变量地址相同但是值不同的现象。出现这样的现象称为线性地址或者虚拟地址。所以平时写得 C/C++用的指针，指针里面的地址，绝对都不是物理地址，而是称为虚拟地址。

地址空间

一个可执行程序有代码和数据两部分,还会创建进程地址空间。每一个进程都有进程地址空间。

地址空间的概念

概念：所谓的进程地址空间，本质是一个描述进程可视范围的大小。地址空间内一定要存在各种区域划分，对线性地址进行 start 和 end 划分即可。地址空间本质是内核的一个数据结构对象，类似 PCB 一样，地址空间也是要被操作系统管理的：先描述，再组织。

主要组成部分

• 页表
  K(键) V(值) 结构
  键值为虚拟地址，值为物理地址

  当程序运行时，就会根据页表中的虚拟地址来找到对应的物理地址。

• 写时拷贝的本质：

  重新开辟空间，但是在这个过程中，左侧的虚拟地址是不变的，不影响虚拟地址；而是在物理内存中开辟了新空间，将更改的信息存储到这个空间中。所以就出现了虚拟地址相同而值不同的现象。

常见细节问题

• 总线

  CPU 与内存之间的线称为：系统总线
  内存和外设之间的线称为：IO 总线
  在 32 为计算机中，有 32 位的地址和数据总线。每一根总线只有 0，1 的概念。一共有 2^32 种状态。2^32*1byte=4GB，所以一个 32 位系统最多能装载 4GB 的内存空间。

• 地址空间究竟是什么？

  • 什么叫做地址空间？

    地址总线排列组合形成的地址范围[0,2^32),

  • 如何理解地址空间上的区域划分？

• 为什么要有进程地址空间？

  • 1. 让所有进程以统一的视角看待内存结构
  • 2. 增加进程虚拟地址空间，可以让我们访问的内存的时候，增加一个转换的过程，在这个转换的过程中，可以对我们的寻址请求进行审查，所以一旦异常访问，我们直接拦截，该请求不会到达物理内存，保护物理内存。
  • 3. 因为有地址空间和页表的存在，可以将进程管理模块和内存管理模块进行解耦合。

• 页表结构是一个映射表。cr3 寄存器保存的是页表的起始地址(物理地址)，这个地址是物理地址。

• 怎么知道进程的代码数据在不在内存？

  操作系统对大文件可以实现分批加载

• 惰性加载

  操作系统对进程的加载策略为惰性加载的方式，

• 缺页中断

  在页表中有一列为对应的代码和数据是否已经被加载到内存,如果显示不在，操作系统会触发缺页中断，操作系统会重新申请内存。(写时拷贝就是一种缺页中断)

• 进程被创建的时候，是先创建内核数据结构呢？还是先加载对应的可执行程序呢？

  先创建内核数据结构。