＜Linux＞进程地址空间

目录

一、认识概念 

二、什么是地址空间

如何理解区域划分？

虚拟地址空间究竟是什么？   

映射关系的维护是谁做的？

三、为什么要有地址空间

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一、认识概念 

0.验证地址空间排布（打印各种地址 --- 进程打印！！！）

Linux环境下的        验证代码如下：

先解释一下Makefile文件：$@代表mytest   $^代表：后面的文件

   mytest:mytest.c
   gcc -o $@ $^     

  1 #include 
  2 #include 
  3 #include 
  4 
  5 int g_unval;
  6 int g_val = 100;
  7 
  8 int main(int argc, char* argv[], char* env[])
  9 {
 10     int i = 0;
 11 
 12     printf("code addr: %p\n", main);   //代码段
 13     printf("init global addr: %p\n", &g_val); //初始化全局区
 14 
 15     printf("uninit global addr: %p\n", &g_unval); //未初始化全局区
 16 
 17     char* heap_mem = (char*)malloc(10);
 18     printf("heap addr: %p", heap_mem); //堆区
 19     printf("stack addr: %p\n", &heap_mem);
 20 
 21     for (i = 0; i 
 22     {
 23         printf("argc[%d]: %p\n", i, argv[i]);
 24     }
 25 
 26     for (i = 0; env[i]; ++i)
 27     {
 28         printf("env[%d]: %p\n", i, env[i]);
 29     }
 30 
 31     return 0;
 32 }     

 

 （扩展问题：mallco开辟空间后，free时，怎么知道我们需要释放的空间大小呢？）

原因：malloc在申请空间时会多申请几个字节的空间，用来存放开辟空间的信息。

代码区和字符常量区的属性是一样的（只读），都放在一个地址区域；

（补充内容）

用户空间 vs 内核空间

在32位下，一个进程的地址空间的取值范围是0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF 

[0, 3G]:用户空间

[3G,4G]:内核空间

Linux vs windows

上面的验证代码，在window下会跑出不一样的结果，所以默认在Linux下有效。

二、什么是地址空间

程序打印地址，是进程打印地址，是程序运行之后打印的地址。

每一个进程都有一个地址空间！

讲个故事例子：

有一个大富翁 有10亿美金 还有3个私生子。大富翁给每一个私生子都画10亿美金的饼，大富翁面对每一个私生子都需要画对应的饼。

我们将其对应起来大富翁 -- 操作系统，10亿美金 -- 地址空间，私生子 -- 进程。

那么地址空间就相当于操作系统给进程画的大饼，是一个虚拟的空间。                

内核中的地址空间本质也一定是一种数据结构。

将来要和一个特定的进程关联起来。

 如果直接使用物理内存，指针可能会访问到其他进程的空间，特别不安全！！

所以不能直接使用物理地址！

现代计算机提出的以下的方式：

• 每一个进程都有一个PCB结构体；
• 操作系统给每一个进程创建一个地址空间（进程地址空间/虚拟地址空间）；
• 虚拟地址 - > 物理地址的过程：系统存在一种映射机制，将虚拟空间的地址内容映射到物理内存，即要访问物理内存需要先进行映射。

如果需要访问的虚拟地址是一个非法地址，操作系统就会禁止映射。

如何理解区域划分？

对于一段特定的空间，定义start和end;

虚拟地址空间究竟是什么？   

地址空间是一种数据结构，它里面至少有：各个区域的划分

struct addr_room
{
    int code_start;
    int code_end;
 
    int init_start;
    int init_end;
 
    int uninit_start;
    int uninit_end;
 
    int stack_start;
    int stack_end;
    ....
    其他属性
}
//进程是通过struc mm_struct来维护的

所谓的空间变化就是begin和end的变化。

映射关系的维护是谁做的？

• 通过一种表结构 -- 页表 来映射；
• 地址空间和页表(用户级) 是每一个进程都私有一份
• 只要保证，每一个进程的页表，映射的是物理内存的不同区域，就可以做到，进程之间是不会互相干扰，保证进程独立性！

扩展：

当我们的程序，在编译的时候，形成可执行程序的时候，没有被加载到内存中的时候，请问：我们程序内部，有地址吗？

答案：有的（虚拟地址）

地址空间不要仅仅理解为OS内部要遵守的，编译器也要遵守的！即编译器编译代码的时候，就已经为我们形成了各个区域，代码区区，数据区......,  并且，采用Linux中内核的方式一样的编码地址，给每一个变量，每一行代码都进行了编译，所以程序在编译的时候，每一个字段早已经具有了一个虚拟地址！！！

程序内部的地址，依旧时编译器编译好的虚拟地址；

当程序被加载到内存的时候，每行代码，每个变量便具有了一个外部的物理地址

当CPU读到指令的时候，指令内部也是有地址的，这个地址也是虚拟地址；

三、为什么要有地址空间

• 1.凡是非法的访问或者映射，OS都会识别，并终止这个进程；->保护了物理内存；
• 2.因为有地址空间和页表的存在，可以对未来的数据进行任意位置的加载 -> 物理内存的分配 和 进程的管理，可以做到没有任何关系；（内存管理 vs 进程管理 做到解耦合），所以在内存分配的时候，使用延迟分配的策略（内存的使用效率是100%）；
• 3.因为在物理内存中是可以任意位置加载，那么是不是物理内存中的几乎所有的数据和代码在内存中是乱序的？（但是因为页表的存在，它可以将地址空间上的虚拟地址和物理地址进行映射，那么是不是在进程视角所有的内存分布，都可以是有序的！！即地址空间 + 页表，可以将内存分布有序化！）

-所以我们C/C++中的new,malloc申请空间，本质是在哪里？

本质是在虚拟空间申请的。

-如果申请了物理空间，但是我不立马使用，是不是浪费空间了呢？

是的。

-因为有地址空间的存在所以上层申请空间，其实是在地址空间上申请的，物理内存可以说是一个字节都不会给你！而当你真正对物理地址空间进行访问到时候，OS才执行内存的相关管理算法，帮你申请空间，构建页表映射关系，然后，再让你进行内存的访问。(完全是由操作系统自动完成的，用户包括进程是0感知的)

-CPU如何知道第一行命令在什么地址？

因为地址空间 + 页表将内存分布有序化了。

进程要访问的物理内存中的数据和代码，可能目前没有在物理内存中，同样的，也可以让不同的进程进程映射到不同的物理内存，就很容易实现进程的独立性！

• 因为有地址空间的存在，每一个进程都认为自己拥有4GB的内存，并且各个区域是有序的，进而可以通过页表映射到不同的区域，来实现进程的独立性；
• 每一个进程不知道有其他进程的存在；

重新理解什么是挂起？

-加载本质就是创建进程，那么是不是必须非得立马把所有的程序代码和数据加载到内存中，并创建内核数据结构建立映射关系？

答案：不是的，甚至极端情况下，只有内核结构被构建出来了。（新建状态）

根据上面的理解，进程可以分批加载，那么也可以分批换出，这个进程被换出了后，就是挂起状态。