【linux】进程地址空间

1.什么是地址空间

请问C/C++地址空间是内存吗？

其实不是，是虚拟地址空间！

我们见识见识虚拟地址空间。

#include
#include
 
int global_val=100;

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id == 0)
    {
        int cnt=0;
        while(1)
        {
            printf("我是子进程, pid: %d, ppid: %d | global_value: %d, &global_value: %p\n", getpid(), getppid(), global_val, &global_val);
           sleep(1);
            cnt++;
            if(cnt == 10)
            {
                global_val=200;
                printf("子进程已经改变global_val的值了。。。。。\n");
            }
        }
    }
    else if(id > 0)
    {
        while(1)
        {
           printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d | global_value: %d, &global_value: %p\n", getpid(), getppid(), global_val, &global_val);
            sleep(2);    
       }
    }
    else                                                                                                                                                          
    {
        printf("fork error\n");
    }
 
    return 0;
 }

                                              

fork之后，父子进程谁先运行，不确定，由调度器决定。

我们发现多线程在读取同一个地址的时候，怎么可能出现不同的结果？
地址没变----> 这里的地址，绝对不可能是物理地址。

曾经我们学习的语言的地址（指针），不是对应的物理地址，是虚拟地址(线性地址/逻辑地址)

打印出来的地址空间排布，全部都是虚拟地址。

2.感性理解虚拟地址空间

每个进程都认为自己是独占系统资源的（事实上并不是），这知识一种理念。

举个例子

son1 工厂周转不开了，找peter要1w美金，5w美金，
son2 要2k美金，买个手表
son3 要3k美金，生活费

不可能全要，因为peter也不会给。

peter和他每个私生子都说，等他死后，就让儿子继承全部家产。给儿子画大饼

我们的系统就是这样做的；

那如何画饼呢？
假设500个员工---->画饼---->员工要被管理----->饼要不要管理呢？
肯定是要的，不然许张三当总经理，把这个大饼当成许给李四了。

500个进程---->地址空间------>进程要被管理------>地址空间也要被管理
如何管理呢？
先描述，在组织

地址空间的本质：是内核的一种数据结构！mm_struct

3.理性认识虚拟地址空间

区域划分

有了地址区间就要对地址区间进行划分；
有属于代码的起始和结束的地址，属于数据的起始和结束的地址。。。

区域调整

进程在运行时，会有一个PCB，task_struct，操作系统结合地址空间malloc一个struct mm_struct。

代码和数据区本质上不变的
heap和stack所谓的区域调整，本质上就是修改各个区域的start/end的值。
定义局部变量，malloc，new----->扩大栈区或者堆区
函数调用结束，free------>缩小栈区或者堆区

库代码

进程地址空间和内存的映射

进程地址空间和物理内存之间是通过页表来进行映射，建立映射关系的。

每个进程到要有对应的地址空间

进程1看不到物理内存，进程2也看不到物理内存。
每个进程都认为自己由2^32个地址空间或者内存大小，实际上操作系统不会给那么多，只会给一些，但是依旧让每个进程都认为自己独占系统空间。

4.为什么存在地址空间

4.1原因1

1.如果让进程之间访问物理内存，万一进程越界非法操作，是非常不安全的，有了操作系统提供的虚拟地址和页表，在进程越界非法操作时，页表就会提醒。所以页表不只是映射，还要拦截，所有进程都要遵守。

4.2原因2

还记得上面，写的一段代码，创建子进程，然后子进程把global_val变量改了变成200，但是父子进程的虚拟地址还是一样的，并且父进程global_val值还是100；这是为什么呢？

创建子进程，是把父进程的PCB，地址空间，页表都给子进程一份。

还记得之前说过，进程具有独立性，如果一个进程对共享的数据做修改，影响了其他进程，这样就不能称之为独立性。

所以不管是父进程还是子进程修改了数据，为了保证进程的独立性，操作系统会在内存中申请一块空间，把要被修改的数据拷贝下来，修改其页表对应的映射关系，这时候再修改数据，就和其他进程没关系了。而打印出来的地址是一样的，是因为只修改了页表，并没有对进程地址虚拟空间进行变动。

任何一份尝试写入，os先进行数据拷贝，更改页表映射，然后再让进程进行修改。这叫做写时拷贝。

操作系统，为了保证进程的独立性做了很多工作-------通过地址空间，页表让不同进程映射到不同的物理内存处。

正因为有了这些东西，才保证了进程的独立性。

2.地址空间的存在，可以更方便的进行进程与进程之间的数据和代码的解耦，保证了进程独立性这样的特征

4.3原因3

重新再一次理解地址空间

可执行程序里面，有没有地址呢？（再没有被加载到内存的时候）
是有的，早在汇编阶段就有地址，这也是逻辑地址

虚拟地址空间，你不要认为只有操作系统会遵守对应的规则，编译器也要遵守！编译器在编译你的代码的时候，就是按照虚拟地址空间的方式，对我们的代码和数据进行编址的。

上面说的地址，是我们程序内部使用的地址，程序加载到内存中，天然就具有了一个外部的物理地址！

可执行程序加载到内存中，就具备了两套地址；1.标识物理内存中代码和数据的地址；2.在程序内部互相跳转的地址---->虚拟地址；

物理地址加载到页表的右侧，由于可执行程序在编译的时候，也是按照虚拟地址的方式给代码和数据编制的，所以mm_strucrt直接就可以使用这类地址，并且加载到页表左侧。

再看看CPU是如何执行这些指令的。

找到main函数虚拟地址，通过页表去找对应的物理地址，然后往下执行代码，当读到fun函数时，取到fun的虚拟地址，然后也根据页表去找对应的物理地址。

cpu在运行进程的时候，读进来的都是指令，指令内部就有了地址（这是虚拟地址）；然后在页表找对应的物理地址，去执行进程内部的指令，当跳转到别的函数或者数据时，会再次拿到地址（也是虚拟地址），然后再去找页表对应的物理地址，然后再执行指令。

CPU没有见到物理地址。

3.让进程以统一的视角，来看待进程对应的代码和数据等各个区域，编译器也以统一的视角进行编译代码，因为规则是一样的，方便了使用。

关于进程地址空间就到这了，这里比较难以理解，多看几遍。
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