Linux系列文章 —— 进程地址空间（图解虚拟地址、物理地址的映射）

系列文章目录

vim-操作篇
进程概念篇
进程地址空间篇

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前言

Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。博主将全程带领大家学习Linux的相关知识，本系列文章参考《鸟哥的Linux私房菜》推荐大家进行阅读学习。

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一、虚拟地址空间

下面的代码对子进程的全局变量进行了修改。

问题：为什么会出现这种结果（我将在 <四、地址映射> 中进行解答）

#include 
#include 
using namespace std;
int global_value = 100;
int main() {
    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {			//子进程
        int cnt = 0;
        while(true) {
            //打印子进程
            printf("子进程 - pid:%5d, ppid:%5d | global_value:%d, &global_value:%p\n", getpid(), getppid(), global_value, &global_value);
            sleep(1);
            if (++cnt == 4) {		//修改子进程的全局变量
                global_value = 300;	//将值修改为300
                cout << "子进程的全局变量已进行更改............" << endl;
            }
        }
    } else if (id > 0) {	 //父进程
        while(true) {
            //打印父进程
            printf("父进程 - pid:%5d, ppid:%5d | global_value:%d, &global_value:%p\n", getpid(), getppid(), global_value, &global_value);
            sleep(2);
        }
    } else {
        printf("fork error!");
    }
    return 0;
}

由运行结果我们可以发现

• 开始时，子进程和父进程指向同一个地址
• 子进程的全局变量发生改变，父进程的全局变量没有改变
• 变更后，子进程和父进程仍然指向同一个地址

基本结论：这不是物理地址（硬件支持的地址空间），而是虚拟地址（逻辑地址）。

二、物理地址与虚拟地址

物理地址：主存是一个有M个连续的字节大小的单位组成的数组。每个字节都有自己对应的一个地址，就是物理地址。物理地址大小就是实际的主存的大小。

物理寻址：CPU使用物理地址直接到主存中找对应的数据。

虚拟地址：虚拟内存是一个由存放在磁盘上的N个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有一个唯一的地址，就是虚拟地址。通常，虚拟地址由页号和偏移量组成，页号就是抽象的虚拟页的编号，偏移量用于计算实际的物理地址。

虚拟地址：CPU通过虚拟地址来访问主存，访问内存使用的物理地址，MMU通过将虚拟地址进行翻译，转化为物理地址，然后再用这个物理地址去访问内存数据。

三、进程地址空间

基本概念

进程地址空间：

• 限定了一段地址，这段地址属于某一个进程，并不是这个进程随时都在使用这个空间，而是在某一段时间内只属于某个进程。

• 进程地址空间 ≠ 内存

• 进程地址空间将伴随进程的整个进程生命周期一直存在，直至进程退出。

基本分布

区域	功能
内核	负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。
环境变量	环境变量是一个动态命名的值，可以影响运行进程在计算机上的行为方式。它们是进程运行环境的一部分。
命令行参数	在启动这个程序的时候可以给这个程序从命令行中传递的参数。
栈区	存储函数调用时的临时信息的结构，存放为运行时函数分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
共享区	共享内存允许两个不相关的进程访问同一段物理内存。
堆区	通常由申请空间者分配、和释放，用来存储程序运行时分配的变量。
静态区	存放全局变量、静态数据。全局区分为已初始化全局区（data）和未初始化全局区（bss）。
常量区	存放常量字符串。
代码区	存放函数体（类成员函数、静态函数和全局函数）的二进制代码。

分布检验

#include
#include

using namespace std;

//全局变量
int g_unval;        //未初始化数据
int g_val = 300;    //已初始化数据

int main(int argc, char* argv[], char* env[]) {
    const char* p = "hello world!"; //p是指针变量(栈区)，p指向字符常量h(字符常量区)
    char* q = new char[10];
    //环境变量
    printf("env addr:            %p\n", env[0]);
    //命令行参数
    printf("args addr            %p\n", argv[0]);
    printf("args addr            %p\n", argv[argc - 1]);
    //栈
    printf("stack addr:          %p\n", &p);    //p先定义，先入栈
    printf("stack addr:          %p\n", &q);    //q后定义，后入栈
    //堆
    printf("heap addr:           %p\n", q);
    //未初始化数据
    printf("g_unval addr:        %p\n", &g_unval);
    //已初始化数据
    printf("g_val addr:          %p\n", &g_val);
    //字符串常量区
    printf("read addr:           %p\n", p);
    //代码区
    printf("code addr:           %p\n", main);//代码区起始地址
    return 0;
}

四、地址映射

有了前面的基本知识我们来解决文章最开始的问题，这段代码为什么会是这样的运行结果

#include 
#include 
using namespace std;
int global_value = 100;
int main() {
    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {			//子进程
        int cnt = 0;
        while(true) {
            //打印子进程
            printf("子进程 - pid:%5d, ppid:%5d | global_value:%d, &global_value:%p\n", getpid(), getppid(), global_value, &global_value);
            sleep(1);
            if (++cnt == 4) {		//修改子进程的全局变量
                global_value = 300;	//将值修改为300
                cout << "子进程的全局变量已进行更改............" << endl;
            }
        }
    } else if (id > 0) {	 //父进程
        while(true) {
            //打印父进程
            printf("父进程 - pid:%5d, ppid:%5d | global_value:%d, &global_value:%p\n", getpid(), getppid(), global_value, &global_value);
            sleep(2);
        }
    } else {
        printf("fork error!");
    }
    return 0;
}

每个进程都由PCB控制，将PCB看作一个类，那么task_struct就是PCB实例化出的一个对象，而task_struck中有内存指针，指向虚拟地址，虚拟地址通过页表映射指向对应的物理内存中的地址。

首先，当创建一个子进程时，父子进程共用一段代码，且子进程的进程地址空间，是通过父进程的进程地址空间拷贝过来的，所以它们具有相同的虚拟地址——&global_value。

然后，我们对子进程的值进行修改。不改变页表中的虚拟地址，通过更改页表的映射，在物理内存中开辟一个新的空间，并初始化赋值为300。

这时，我们查看global_value的地址发现，父进程和子进程的虚拟地址相同，但实际上映射在物理内存中的物理地址却不同，从而存储的值也不同。

这就解释了运行结果父子进程的global_value存储的值不同，却拥有相同的虚拟地址。