【Linux进程篇】进程地址空间

【Linux进程篇】进程地址空间

作者：爱写代码的刚子
时间：2023.10.20
前言：本篇博客是对【Linux进程篇】的收尾,介绍进程地址空间的相关内容。本篇博客研究的背景：kernel 2.6.32 32位平台

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再次认识空间布局

其中：未初始化数据和初始化数据属于静态全局区。

环境变量比命令行参数更靠近高地址

注意：不同芯片平台栈的增长方向可能不同,栈顶指针用esp寄存器存储，同时不管数组在栈区还是堆区，数组的生长方向都是从下往上的（也就是从低地址到高地址的）。

• 验证一（同时不管数组在栈区还是堆区，数组的生长方向都是从低地址到高地址的）：

• 验证二（验证空间布局）：

观察一个现象：

在父子进程中分别对a进行修改，但是我们发现a的地址都为同一个，说明同一个变量在同样的地址有不同的值，如何解释？

• 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

• 但地址值是一样的，说明该地址绝对不是物理地址!

• 在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址

• 我们在用C/C++语言（或者其他语言）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为物理地址。

进程地址空间

什么叫做地址空间？

所谓的进程地址空间，本质是一个描述进程可视范围的大小，地址空间内一定要存在各种区域划分，对线性地址进行start，和end即可，在32位计算机中，有32位的地址和数据总线，所有地址总线排列组合形成地址范围[0,2^32],232 * 1byte也就是4GB大小

• cpu内存在地址寄存器（AR）,保存当前CPU所访问内存单元地址
• 虚拟地址和物理地址通过页表进行映射(页表是一种软件结构)
• 当子进程创建时，子进程会继承父进程的虚拟地址空间，也就是说子进程和父进程指向同一块物理空间，当子进程需要对数据进行修改时，物理空间会为子进程新开辟一块空间，存储子进程修改的数据（类似于写时拷贝）

进程地址空间图示及笔记

从以上图可以知道，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。

• 所以，什么叫进程？
  进程 = 内核数据结构（task_struct && mm_struct && 页表）+ 程序的代码和数据

所以进程在切换时task_struct && mm_struct && 页表都要进行切换

• 进程具有独立性，怎么做到的？

1. 内核数据结构上，进程之间是互相独立的
2. 不同进程通过页表进行映射，将虚拟地址空间和物理地址空间进行解耦合，即便是父子进程关系只需要在页表层面上，代码区指向一样，数据区指向不一样，在数据层面上解耦合。进程若触发异常，只需要处理各自页表映射的数据即可

• 因为有页表的存在，数据加载在物理内存的位置我们并不关心，我们只关心页表的映射关系即可。以统一的视角看待内存，让无序变有序
• 环境变量是全局属性，因为子进程会根据父进程页表的映射关系，建立自己的页表

Linux2.6内核进程调度队列（Linxu进程篇2有涉及）

【Linux进程篇】进程概念2

如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题 优先级

一个CPU拥有一个runqueue（运行队列）

普通优先级:100~139(我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应!) 实时优先级:0~99(不关心)

活动队列

• 时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列
• nr_active: 总共有多少个运行状态的进程
• queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下标就是优先级!
• 从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢?

1. 从0下表开始遍历queue[140]
2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列 3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成!
3. 遍历queue[140]时间复杂度是常数!但还是太低效了!

bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个 比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率!

过期队列

• 过期队列和活动队列结构一模一样
• 过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程
• 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算

active指针和expired指针

• active指针永远指向活动队列
• expired指针永远指向过期队列
• 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。
• 在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程!

总结

• 在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法。

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