C语言中的虚拟地址

虚拟地址

虚拟地址空间

• 对于操作系统而言，每个进程所得到的虚拟地址都在一个独立的固定的范围内，不会超过这个范围，我们把这个范围称为虚拟地址空间。
• 所谓的虚拟地址空间本质就是一个地址范围，表示程序的寻址能力。
• 对于32位系统而言，虚拟地址空间从0x00000000~0xFFFFFFFF，也就是4G
  • 0 ~ 3G-1是归用户所使用，称为用户地址空间
  • 3G ~ 4G-1是归内核使用，称为内核地址空间
• 对于64位系统而言，因为应用程序没有那么大的内存需求，所以不支持完全的64位虚拟地址
  • 0x0000 0000 0000 0000 ~ 0x0000 FFFF FFFF FFFF是用户地址空间
  • 0xFFFF 0000 0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF是内核地址空间
  • 内核地址空间和用户地址空间直接是不规范地址空间，不允许使用，强制使用会出现段错误
  • 用户地址空间的代码不能直接访问内核空间的代码和数据，但可以通过系统调用进入内核态，间接与系统内核交互

以下是一个32位系统存储数据的示例图

从上图中可以看到每个进程都有自己独立的虚拟地址池，它们之间相互隔离，不会相互干扰或冲突，当给内核操作的虚拟地址没有在映射关系表中找到对应关系时，就会出现段错误。

虚拟地址空间布局

• 程序中不同性质的数据，加载到内存中，其虚拟地址会被映射到虚拟地址空间中不同区域

代码如下：

// 虚拟地址空间布局
#include 
#include 

const int const_global = 1;  // 常全局变量
int init_global = 2;  // 初始化全局变量
int uninit_global;  // 未初始化全局变量

int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
    static const int const_static = 3;  // 常静态变量
    static int init_static = 4;  // 初始化静态变量
    static int uninit_static; // 未初始化静态变量
    const int const_local = 5;  // 常局部变量
    int local;  // 局部变量
    char *string = "hello";  // 字面值常量
    int *heap = malloc(sizeof(int)); // 堆变量

    printf("----------参数和环境----------\n");
    printf("         命令行参数: %p\n", argv);
    printf("           环境变量: %p\n", envp);
    printf("------------栈区-------------\n");
    printf("         常局部变量: %p\n", &const_local);
    printf("           局部变量: %p\n", &local);
    printf("------------堆区-------------\n");
    printf("             堆变量: %p\n", heap);
    printf("------------BSS区-------------\n");
    printf("    未初始化全局变量: %p\n", &uninit_global);
    printf("    未初始化静态变量: %p\n", &uninit_static);
    printf("------------数据区-------------\n");
    printf("      初始化全局变量: %p\n", &init_global);
    printf("      初始化静态变量: %p\n", &init_static);
    printf("------------代码区-------------\n");
    printf("          常全局变量: %p\n", &const_global);
    printf("          常静态变量: %p\n", &const_static);
    printf("          字面值常量: %p\n", string);
    printf("               函数: %p\n", main);
    printf("-------------------------------\n");

    return 0;
}

内存映射的建立与解除

• 没有与物理地址建立映射关系的虚拟地址，无法直接使用，如果强行使用被报段错误，我们可以通过系统调用mmap函数手动建立虚拟地址和物理地址之间的映射关系。
• 补充：基本上所有的头文件都是放在这个路径下的：/usr/include
• 下面那个函数需要引入mman.h这个头文件：#include
• mmap函数
  • void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
    • 功能：建立虚拟内存到物理内存或磁盘文件的映射
    • 参数
      • start：映射区虚拟内存的起始地址，NULL系统自动选定后返回。
      • length：映射区字节数，自动按页圆整，4k为一页。
      • prot：映射区操作权限，可取以下值，多选使用|隔开
        • PROT_READ：映射区可读
        • PROT_WRITE：映射区可写
        • PROT_EXEC：映射区可执行
        • PROT_NONE：映射区不可访问
      • flags：映射标志，可取以下值，多选使用|隔开
        • MAP_ANONYMOUS：匿名映射，将虚拟内存映射到物理内存中而非文件，使用这个就可以忽略df和offset参数，将这两个参数设为0即可
        • MAP_PRIVATE：对映射区的写操作只反映到缓冲区并不会真正写入文件，与MAP_SHARED二选一，不能同时存在
        • MAP_SHARED：对映射区的写操作直接反映到文件中
        • MAP_DENYWRITE：拒绝其他对文件的写操作
        • MAP_FIXED：若在start上无法创建映射，则失败（无此标志系统会自动调整）
      • fd：文件描述符，flags使用MAP_ANONYMOUS时，这里填0即可
      • offset：文件偏移量，自动按页(4K)对齐，flags使用MAP_ANONYMOUS时，这里填0即可
    • 返回值：成功返回映射区虚拟地址的起始地址，失败返回MAP_FAILED(-1)
• munmap函数
  • int munmap(void *start, size_t length);
    • 功能：解除虚拟内存到物理内存或磁盘文件的映射
    • 参数：
      • start：映射区虚拟内存的起始地址
      • length：映射区字节数，自动按页圆整，4k为一页
    • 返回值：成功返回0，失败返回-1
    • munmap允许对映射区的一部分映射，但必须按页处理

使用示例：

#include 
#include 
#include 

int main(void)
{
    // 1. 建立映射: 返回值是void*类型，这里使用的是char*，内部会自动强转的
    char *start = mmap(NULL, 8192, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, 0, 0);
    if(start == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    // 2. 写入数据
    strcpy(start, "哈哈");
    printf("输出: %s\n", start);

    // 3. 解除一部分映射
    if(munmap(start, 4096) == -1)
    {
        perror("munmap");
        return -1;
    }

    // strcpy(start, "呵呵");  // 这里测试使用了已经解除的虚拟地址，出现了 段错误 (核心已转储)

    // 4. 在剩下的那一部分中写入数据
    start += 4096;  // 首先先将start往上移
    strcpy(start, "嘿嘿");
    printf("输出: %s\n", start);

    // 5. 解除
    if(munmap(start, 4096) == -1)
    {
        perror("munmap");
        return -1;
    }
    return 0;
}