程序地址空间

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<4>前言：我们一直随口就能说出来的栈区，堆区，常量区，到底是什么？今天学习一下进程地址空间。

目录

一.程序地址空间回顾

二. 进程地址空间

三.为什么要存在进程地址空间

四.malloc 和 new 的机制

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一.程序地址空间回顾

我们在学习C语言的阶段，大家一定见过这样的空间布局图：

我们仅仅只是知道有这个东西， 可是我们并不了解程序地址空间。

测试代码：

#include 
#include 
#include 
int g_val = 0;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 0;
    }
    else if (id == 0) // child
    {
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else // parent
    {
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

输出结果：

我们发现，输出出来的变量值和地址是一模一样的，很好理解呀，因为子进程按照父进程为模版，父子并没有对变量进行进行任何修改。

我们尝试让子进程，修改变量：

测试代码：

#include 
#include 
#include 
int g_val = 0;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 0;
    }
    else if (id == 0) // child
    {
        g_val = 1000;
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else // parent
    {
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

输出结果：

 我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！！能得出如下结论:

1. 变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量。
2. 但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
3. 在Linux地址下，这种地址叫做 虚拟地址。
4. 我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理，OS必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 。

二. 进程地址空间

上面说到用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址或者说叫做线性地址，那么虚拟地址和物理地址有什么关系？

引入地址空间：

每一个进程都有自己的地址空间，进程地址空间地址实际上就是虚拟地址。我们通过堆虚拟空间位置上的数据修改，最终经过转换到物理内存上的数据修改。

虚拟地址是如何与物理地址进行映射的呢？

因为有页表的存在。

页表是一种K/V映射表，连接虚拟内存与物理内存，每一个进程都会有自己的进程地址空间，那么每一个进程地址空间都会有与之对应的页表。

注意：

1. 通过页表不仅可是实现，虚拟地址到物理地址的映射问题，同时因为中间多了一层结构，就是的我们可以通过页表这个桥梁堆访问的地址，进行权限的审核 。
2. 每一个进程都有自己的地址空间和页表，进程虚拟空间仅仅通过页表堆物理内存交互，这也是保证进程独立性的手段之一。

如何解释上面同一个地址却又不同的值的现象：

创建子进程的本质，就是创建了子进程PCB和加载对应的代码和数据。子进程和父进程代码共享，数据在修改时会发生写是拷贝。

注意：

上面的图就足矣说名问题，同一个变量，地址相同，其实是虚拟地址相同，内容不同其实是被映射到了不同的物理地址！

 三.为什么要存在进程地址空间

如果没有进程地址空间，直接映射到物理地址不是更好吗，省去这么多中间的转换。效率不是更高吗？

如果没有进程地址空间，OS直接将映射到物理地址，如果有那一次我们地址映射错了，就有可能映射到其他地址空间上，这样进程之间独立性就会被破坏。

使用了地址空间，就不会出现进程错误的访问其他进程的地址空间吗？是的，即使我们出现了错误地址错误的地址也是一个虚拟地址，仍然在该进程的地址空间内，而地址空间是每一个进程独立的，映射到物理地址也是独立的。

综上所述：

1. 防止地址随意的访问，保护物理内存与其他进程。
2. 将进程管理和内存管理进行耦合。
3. 可以让进程一同意的视角，看待自己的代码和数据。

四.malloc 和 new 的机制

我们在使用malloc和new的时候，我们都知道他们的功能都是在堆上开辟空间，然后返回开辟的空间的首地址。

如果我们开辟了空间我们不去使用，那么这个空间会属于我们吗？

注意：

1. 操作系统补办不允许任何浪费或者不高效
2. 我们申请了空间一般不会立马得到空间，只会给你分配虚拟内存，不会立马给你物理内存。
3. 只有当我们对这块空间使用的时候，才会将物理内存给分配到位。我们称这种机制叫做：缺页中断。