操作系统——程序地址空间

前言：学过内存管理的同志，应该都看过下图。我们一般认为下图就是真正的物理内存。但是这并不是真正的内存，听到这有的人懵了，内存就是这样的呀，学的就是如此。说一句网络都是虚拟的，水太深，把握不住。一样，以下是虚拟内存。程序是如何和物理内存打交道的，本篇娓娓道来。

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1. 一段令人困惑的程序

#include 
#include 
#include 
int g_val = 0;
int main()
{
 pid_t id = fork();
 if(id < 0){
 perror("fork");
 return 0;
 }
 else if(id == 0)
 {
  g_val=1000;
  printf("child:change-> g_val:%d,%p\n",g_val,&g_val);
 }
 else 
 {
   printf("father:my->g_val:%d,%p\n",g_val,&g_val);
   sleep(3);
 }
 sleep(1);
 return 0;
}
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我们知道，子进程会继承父进程的代码和数据。但是我在子进程中修改数据会发生写时拷贝。写时拷贝后面具体讲。上面的代码非常明显：我在子进程中将g_val修改为1000，父进程的g_val不受影响，每个进程都有独立性，这个大家都懂。那么g_val的地址应该会不同，因为同一个地址只能有一个值，我们来看看子进程和父进程的g_val地址是否相同。

惊奇的发现，g_val的地址尽然相同。这是打破以往常识的。

• 每个地址只能有一个值
• 以上的地址绝对不是物理地址，而是虚拟地址
• os负责将虚拟地址和物理地址产生联系

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2. 虚拟地址空间

每个进程都有自己的代码和空间，进程可能需要对物理地址进行操作。但是如何管理进程代码在内存中的存储呢？让每个进程都可以直接和物理内存打交道，是威胁的行为，而且管理起来很复杂。
比如：我在内存中有两个进程，如果直接让进程操作物理地址，那么它有没有可能会占用另一个进程的物理地址，是有可能的，会造成很大的危害。所以引入虚拟地址。

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为了方便管理所有的进程，每个进程都由struct mm_struct这一虚拟地址空间来管理。每个进程都认为自己拥有os的所有内存。

进程是由PCB来管理的，PCB中就有一个指针指向了mm_struct。mm_struct就存储了进程的代码和数据。

2.1 虚拟地址空间mm_struct如何实现空间分段

可以看到上图中，mm_struct被分成多段，如何实现的呢？其实比较简单。
我们来假设实现，不是源代码哦。

struct mm_struct
{
 unsignde int code_start;
 unsignde int code_end;
 unsignde int date_start;
 unsignde int date_end;
}
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在32位下，内存是4GB,每个进程都按照4GB来规划虚拟地址空间。就是如上那样 [_start ,_end]为一个
段。那么就是从0X00000000……000~0Xfffffffff……fffff这样的来规划虚拟地址空间的。

2.2 虚拟地址和物理地址如何产生关联

虚拟地址是按照操作系统所有的内存，来规划的。那么该如何真正的使用物理地址呢？那就是构建映射关系：页表。
利用页表我们可以使虚拟地址和物理地址产生映射关系。

2.3 子进程如何继承父进程的代码和数据

子进程会继承父进程的代码和数据，子进程的PCB是以父进程的PCB为模板来创建的，当然不是完全拷贝父进程的PCB，如PID，PRI等就不一样。那代码和数据是如何共享的呢？

嗯，就是这样的继承的。

2.4 写时拷贝

页表中有一个权限，不知道大家注意到没有，每次操作都会对于页表中的权限，如果子进程一直都是读代码，那很简单，啥呀不用管；要是子进程要进行写入操作呢？就比如一上来的代码要进行修改变量的值，该怎么办呢？->写时拷贝。

假如子进程要修改变量，g_val。
（1）一开始是这样的，

（2）但是子进程，要修改g_val的值了。页表上的权限也表示你可以修改，但是在此之前你先稍等，这就是断页中断，你的先拷贝一下，物理地址中的g_val需要拷贝一份来供你修改，这就是写时拷贝。

（3）可以看到，发生写时拷贝后，g_val在物理地址上多了一份，这就保证了父子进程的独立性。在页表中断时，父子进程什么影响都没有，子进程只不过是要修改数据，页表中断，发生写时拷贝，这都是操作系统干的事。

总结：子进程会默认和父进程代码数据指向同一个物理地址，如果只读那么就相安无事，若要修改数据，那么会发生页表中断来完成写时拷贝，供给子进程来修改。所以默认情况下，只读的代码和数据，操作系统只维护一份；如果要求写入操作，那么会根据具体情况，发生写时拷贝。

3. 解释那令人困惑的程序

有了以上内容的了解，基本上我们都懂了，g_val的虚拟地址是一样的，但是物理地址是分开的。物理地址不同，所以其实本质上是两个变量了。
昂，虚拟的确实不可信哟，但是虚拟的确实很香，香在哪里呢？

4.虚拟地址空间的好处

• 保护了每个进程的物理内存空间，使得进程的代码和数据风险大大降低
• 提升了操作系统管理的效率，每个虚拟地址空间都是按照4GB的方式规划内存
• 内存申请和内存使用，时间，空间效率都提升