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

C语言中的虚拟地址_第1张图片

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

C语言中的虚拟地址_第2张图片

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;
}

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