【Linux】程序地址空间

C/C++程序地址空间

思考一个问题，这里的地址是什么地址？？？

使用程序打印程序地址空间：

#include 
#include 
#include 
#include 

int g_unval;
int g_val = 100;

int main()
{
  // 验证地址空间
  const char* s = "hello world!";
  printf("code addr: %p\n", main);
  printf("string randonly addr: %p\n", s);
  printf("uninit addr: %p\n", &g_unval);
  printf("init addr: %p\n", &g_val);
  char* heap = (char*)malloc(10);

  printf("heap addr: %p\n", heap);
  printf("stack addr: %p\n", &s);
  printf("stack addr: %p\n", &heap);
  int a = 1;
  int b = 2;

  printf("stack addr: %p\n", &a);
  printf("stack addr: %p\n", &b);
  return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28

还可以发现栈向低地址生长，堆向高地址增长。

看另外一段代码，使用fork创建子进程，在第3秒的时候改变了子进程的数据，观察父子进程该数据的地址：

可以发现数据修改后，父子进程数据的地址还是一样的，但是变量的内容不一样！
1、变量内容不一样，父子进程输出的变量绝对不是用一个变量。
2、地址值一样，说明，该地址绝对不是物理地址！
3、在Linux下，这种地址叫做虚拟地址（线性地址）
4、所以，我们在C/C++看到的地址，全部都是虚拟地址！用户看不到物理地址，OS必须负责把虚拟地址转成物理地址（通过页表+MMU）

进程虚拟地址空间

和进程控制块的思维一样，进程虚拟地址空间也要采用先描述的方式！

struct mm_struct {
	int code_start;
	int code_end;
	
	int init_val_start;
	int init_val_end;

	// ...
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9

每个进程都认为自己有一个地址空间，都认为自己在独占物理内存。每个进程都认为自己有4G，认为地址空间的划分是按照4GB空间去划分的。每个人，都用相同的方式去看待内存。

代码上，地址空间上进行区域划分时，对应的线性位置 即 虚拟地址。

为什么要有地址空间？

1、通过添加一层软件层，完成有效的对进程操作内存进行风险管理（权限管理），本质目的是为了保护物理内存以及各个进程的数据安全。

2、将内存申请和内存使用的概念在时间上划分清楚，通过虚拟地址空间，屏蔽OS底层申请内存的过程，达到进程读写内存，OS进行内存管理操作，进行软件上的分类。

比如，我们申请了1000个字节，我们不一定能立马使用1000个字节。在OS角度，如果这块空间现在给你，意味着会有一部分空间浪费，可以给别人用地现在却被你闲置了！所以只是一张空头支票，等你真的要用的时候，会发生 缺页中断 进行物理内存的申请。
类似的还有，数据的写时拷贝。

3、站在CPU和应用层角度，进程统一使用4GB空间，而且每个空间区域的相对位置比较确定。

OS设计的最终目的，都是达到一个目标：每一个进程都认为自己是独占系统资源的。

这里需要再次区分进程和程序的概念。

所以回过来看上面的程序，同一个变量的地址相同，其实说的是她的虚拟地址相同，内存不同是因为被映射到了不同的物理空间。如下图所示：