虚拟地址空间

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前言

准备开始更新博客了，博主是c++后端方向的，目前准备先总结下之前的知识，防止忘记，就先从Linux虚拟地址空间开始吧。

一、虚拟地址空间是什么？

Linux操作系统为每个进程维护了一个虚拟地址空间，对于32位操作系统来说，虚拟地址空间大小为4G，其中包括1G的内核空间和3G的用户空间（如下图）。需要说明的是，虚拟地址空间并不是内存中真实存在的物理地址，而是对物理地址的映射，虚拟地址空间中的虚拟地址虽然是连续的，但对应的物理地址不一定是连续的。

二、用户空间和内核空间

内核空间和用户空间有着不同的权限，我们平时写的应用程序都是运行在用户空间中的，而内核空间主要负责进程资源的分配，用户空间的进程是无法直接访问内核空间的，但可以通过操作系统提供的系统调用来访问内核空间。

1.用户空间

应用程序运行在用户空间中，下图画出了与编程相关的区域分布（但不是全部），下面针对编程相关的内容对每个区进行解释。

-Stack：栈区，应用程序申请的临时变量都存放在栈上，栈区的内存是由编译器管理的，离开了变量的作用域，变量对应的内存就会被释放，不需要程序手动释放。栈区下面的空白是预留给栈分配的空间，默认未8M，超过这个大小时，就会抛出stack overflow。

• Memory mapping：动态链接区，在程序编译的最后一个阶段，如果需要链接动态库，就会将动态库链接到memory mapping区域，除此之外，使用mmap函数也可以将其他地址映射到动态链接区。
• Heap：堆区，程序使用new或malloc申请的内存在堆上分配，堆区的内存是需要应用程序手动管理的，并且new/delete和malloc/free必须严格对应，否则可能导致内存泄漏。
• .bss：.bss段主要放置程序中未初始化的全局变量。
• .data：.data段用于放置初始化完成的全局变量和局部静态变量，.data段还包括.rodata段，即read only data，用于存放const 修饰的全局变量。
• .text：又叫代码区，存放程序编译后生成的符号表，通俗点说就是代码，当程序需要调用函数时，都可以从.text段找到要执行的代码。
  运行在用户空间的进程是无法直接访问内核空间的，如果需要访问内核空间，可以通过操作系统提供的系统调用访问内核空间，常见的系统调用包括read()、write()等文件操作函数和申请内存使用的brk()等。

2.内核空间

内核空间相对比较复杂，这里我们仅讨论内核空间中的PCB控制块。PCB控制块，有些文章中也称为task_struct，保存了进程ID，用户ID和组ID，进程状态，文件描述符表，和文件权限等信息，是进程控制和调度的关键。

从上图可以看到，文件描述符表的大小为1024，而前三个默认分别是标准输入、输出和异常，当然应用程序可以使用dup2()函数替换文件描述符。文件描述符的分配是从上至下依次分配的，默认最大值为1024，通过Linux指令ulimit 可以查看或修改文件描述符数量上限，lsof -p + pid号可以查看指定Pid号进程打开的文件描述符。

虚拟地址空间的优点

1. 虚拟地址空间封装了物理地址，为应用程序提供了统一的接口，方便了编程人员对地址的管理。
2. 虚拟地址空间隔离了不同进程的地址，如果没有这种隔离，指针可以访问其他进程中的地址，这将是十分危险的。

总结

理解虚拟地址空间是非常重要的，c++的内存管理、对象模型等都离不开虚拟地址空间，操作系统的资源分配、上下文切换和进程调度都依赖于虚拟地址空间。在本文对虚拟地址空间大致理解的基础上，后续将以虚拟地址空间为基础，对c++和操作系统的知识进行整理。