一、程序地址空間

1、各內(nèi)存區(qū)域的相對(duì)位置

我記得在之前的博文中好像用編譯器粗略定位過(guò)各個(gè)類型地址空間的位置，這里我們?cè)衮?yàn)證一下它們的相對(duì)關(guān)系，這里是32位的機(jī)器，存儲(chǔ)空間為2^32byte=4GB

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int g_val_1;
int g_val_2 = 100;

int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{
    printf("code addr: %p\n", main);//代碼段
    const char *str = "hello world";
    printf("read only string addr: %p\n", str);//只讀數(shù)據(jù)段
    printf("init global value addr: %p\n", &g_val_2);//數(shù)據(jù)段（已初始化）
    printf("uninit global value addr: %p\n", &g_val_1);//BBS段（未初始化）
    char *mem = (char*)malloc(100);
    char *mem1 = (char*)malloc(100);
    char *mem2 = (char*)malloc(100);
    //malloc在堆上開辟空間
    printf("heap addr: %p\n", mem);
    printf("heap addr: %p\n", mem1);
    printf("heap addr: %p\n", mem2);
    //臨時(shí)變量在棧上開辟空間
    printf("stack addr: %p\n", &str);
    printf("stack addr: %p\n", &mem);
    
    static int a = 0;
    int b;
    int c;
    //靜態(tài)成員變量在數(shù)據(jù)段
    printf("a = stack addr: %p\n", &a);
    //臨時(shí)變量在棧區(qū)
    printf("stack addr: %p\n", &b);
    printf("stack addr: %p\n", &c);
    //其實(shí)在棧區(qū)的最大地址處和內(nèi)核空間的最小地址處之間還有一部分
    //用來(lái)存放我們的命令行和環(huán)境變量，且環(huán)境變量在大地址處
    int i = 0;
    for(; argv[i]; i++)
        printf("argv[%d]: %p\n", i, argv[i]);

    for(i=0; env[i]; i++)
        printf("env[%d]: %p\n", i, env[i]);

    return 0;
}

從圖中我們可以看到，棧區(qū)和堆區(qū)是相對(duì)而生的，其中間有很大一部分的空間，在它們的中間還有一段內(nèi)存映射段，這里我們后面結(jié)合后面的內(nèi)容來(lái)解釋

2、引入父子進(jìn)程問(wèn)題

• test

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
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;
}

• fork_test

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int g_val = 0;
 
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 0;
    }
    else if(id == 0)
    {
	 	//child,子進(jìn)程先修改，完成之后，父進(jìn)程再讀取
        g_val=100;
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else
    { 
		//parent
        sleep(3);
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

通過(guò)test進(jìn)程現(xiàn)象我們發(fā)現(xiàn)，在這里我們的父子進(jìn)程在訪問(wèn)我們的g_val值時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)位置同一個(gè)值，但是在我們子進(jìn)程對(duì)gal值進(jìn)行修改然后再讓父進(jìn)程進(jìn)行讀取的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)父進(jìn)程讀取的值依舊是原來(lái)的g_val值，而子進(jìn)程讀取的值已經(jīng)是修改值，但地址還是相同的，地址相同怎么會(huì)讀取到不同的值呢？首先我們可以肯定的是，這個(gè)地址一定不是物理地址！同一塊物理地址訪問(wèn)到的值一定是一樣的！

結(jié)合我們?cè)谇懊嬷v到的，如果子進(jìn)程修改了數(shù)據(jù)，我們會(huì)在另一塊位置重新開辟一塊空間用來(lái)存放子進(jìn)程與父進(jìn)程不同的這部分?jǐn)?shù)據(jù)，這是為什么呢？這個(gè)實(shí)現(xiàn)的原理是什么呢？我們也可以肯定的是，這個(gè)變量，也就是這個(gè)數(shù)據(jù)，內(nèi)容是不一樣的，這是我們觀察到的，父子進(jìn)程輸出的一定不是同一個(gè)變量！下面我們來(lái)討論一下

二、進(jìn)程地址空間

1、頁(yè)表

我們?cè)谥爸v到的程序地址空間的說(shuō)法其實(shí)是錯(cuò)誤的，正確來(lái)說(shuō)應(yīng)該叫進(jìn)程地址空間，上面我們所說(shuō)的地址叫做虛擬地址，也叫做線性地址，既然叫做虛擬地址，那當(dāng)然就不是真實(shí)的物理地址了，虛擬地址和物理地址存在映射關(guān)系，而承載他們映射關(guān)系的，就是頁(yè)表

我整理了一下地址空間、頁(yè)表和物理內(nèi)存的關(guān)系如下圖

在這個(gè)圖中，我們把父子進(jìn)程以及頁(yè)表分開來(lái)畫，因?yàn)樗鼈兪莾蓚€(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，但是地址空間的這部分內(nèi)容是共享的，也就是虛擬地址是相同的，我們不是復(fù)制出了兩個(gè)地址空間，這里需要注意

內(nèi)核空間中有父子進(jìn)程的task_struct，它們里面有指向各自頁(yè)表的指針

其中上方是父進(jìn)程的地址空間，下方是子進(jìn)程的地址空間，子進(jìn)程直接復(fù)制父進(jìn)程的地址空間，包括虛擬地址、頁(yè)表等等變量都是相同的，類似于一個(gè)淺拷貝的過(guò)程，在子進(jìn)程修改g_val變量時(shí)，子進(jìn)程在物理內(nèi)存上新開辟一塊空間，用來(lái)存放與父進(jìn)程數(shù)據(jù)不同的量，這個(gè)過(guò)程類似于memcpy的過(guò)程，創(chuàng)建并復(fù)制內(nèi)容，然后再將g_val改成100，然后頁(yè)表的物理地址指向該地址，這個(gè)過(guò)程是寫時(shí)拷貝，我們前面提到過(guò)

其中MMU起到的作用是負(fù)責(zé)將進(jìn)程虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，當(dāng) CPU 需要訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，會(huì)將虛擬地址發(fā)送給 MMU，MMU 根據(jù)頁(yè)表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，是與頁(yè)表息息相關(guān)的一個(gè)內(nèi)存管理單元

2、深入理解進(jìn)程地址空間

那看到這里有人問(wèn)了，地址空間究竟是什么啊，我們?yōu)槭裁匆M(jìn)行這樣的劃分？

我們一直拿32位的計(jì)算機(jī)舉例，因?yàn)樗粩?shù)少，比64位的計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單一些，這里的32位計(jì)算機(jī)又指的是什么？

在 32 位計(jì)算機(jī)里，地址總線寬度是 32 位，也就是有 32 條線路，每條線路能通過(guò)高低電平的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)0和1的變化，所以這 32 條線路能表示的不同地址組合數(shù)量為 2^32個(gè)，因?yàn)槊總€(gè)內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)，所以 32 位計(jì)算機(jī)理論上能直接訪問(wèn)的內(nèi)存空間大小就是 2 ^32字節(jié)，而2 ^32字節(jié)換算后等于 4GB，這就意味著 32 位計(jì)算機(jī)的 CPU 可以通過(guò)地址總線直接訪問(wèn)從 0 到 2 ^32 - 1地址范圍內(nèi)的 4GB 物理內(nèi)存

我們的進(jìn)程地址空間就在這樣一個(gè)概念中展開，而地址空間的劃分實(shí)際上是對(duì)該空間的一種組織，在正常運(yùn)行的情況下互不影響

我們計(jì)算機(jī)中最小的存儲(chǔ)單元就是字節(jié)byte，每個(gè)字節(jié)都會(huì)有一個(gè)地址，這個(gè)地址是可以直接被操作系統(tǒng)使用的，這是可以使用地址找到的最小單位，類似于bit這樣的存儲(chǔ)單元是沒(méi)有地址的概念的

所以所謂的進(jìn)程地址空間，本質(zhì)上是一個(gè)描述進(jìn)程可視范圍的大小，地址空間內(nèi)一定要存在各種區(qū)域的劃分，只要對(duì)虛擬地址（線性地址）進(jìn)行區(qū)域劃分即可

這里要注意的是，棧的start是高地址處，其他用戶空間都是start為低地址處

3、進(jìn)程地址空間這樣組織的優(yōu)勢(shì)

（一）讓進(jìn)程以一個(gè)統(tǒng)一的視角看待內(nèi)存

我們以頁(yè)表這樣的形式用來(lái)過(guò)渡，保證了我們所訪問(wèn)的虛擬地址（線性地址）是線性的，我們的進(jìn)程不管要做什么，我們只要知道它做的事情的性質(zhì)，我們就知道它大概存儲(chǔ)在哪個(gè)線性地址區(qū)域，并且因?yàn)橛辛隧?yè)表的存在，我們不必再關(guān)心物理內(nèi)存的實(shí)際布局以及其他進(jìn)程的存在，我們本進(jìn)程只做好本進(jìn)程自己的事情就好了，其他的我并不關(guān)心

不同進(jìn)程的虛擬地址空間是相互隔離的，一個(gè)進(jìn)程無(wú)法直接訪問(wèn)另一個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間，這就保證了進(jìn)程之間的獨(dú)立性和安全性，一個(gè)進(jìn)程的錯(cuò)誤或惡意操作不會(huì)影響到其他進(jìn)程的正常運(yùn)行

（二）保護(hù)物理內(nèi)存

增加進(jìn)程虛擬地址空間可以讓我們?cè)L問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候，增加一個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，在這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，可以對(duì)我們的尋址請(qǐng)求進(jìn)行審查，所以如果訪問(wèn)異常，就可以直接攔截，請(qǐng)求不會(huì)到達(dá)物理內(nèi)存，從而很好的保護(hù)了物理內(nèi)存不被攻擊

（三）進(jìn)程管理模塊和內(nèi)存管理模塊低耦合

我們通過(guò)頁(yè)表這個(gè)結(jié)構(gòu)，很好地將進(jìn)程管理和內(nèi)存管理解耦合，互不影響，我們進(jìn)程所看到的只有虛擬地址，并不在乎物理地址如何如何，而我們的內(nèi)存也不需要在乎有多少進(jìn)程，進(jìn)程的作用是什么，而是只在需要的時(shí)候開辟和回收空間就可以了，這樣我們?cè)谶M(jìn)程出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候不會(huì)影響到內(nèi)存管理，很好地阻斷了可能出現(xiàn)的一系列崩盤的問(wèn)題

4、頁(yè)表的其他內(nèi)容

頁(yè)表除了我們上面提到的作用以外，還存在類似讀寫權(quán)限這樣的功能，我們?cè)谥皩W(xué)習(xí)的時(shí)候，我們知道在只讀數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)是只可讀不可寫的，那么它相對(duì)應(yīng)的映射到物理內(nèi)存上，物理內(nèi)存上又沒(méi)有限制條件，它是怎么實(shí)現(xiàn)的只讀呢？其實(shí)是頁(yè)表的某一項(xiàng)屬性控制了該變量的讀寫，分為不可讀寫、可讀不可寫、可寫不可讀、可讀可寫，在映射的同時(shí)將該性質(zhì)傳遞回去，就只可讀了

其他的還有對(duì)應(yīng)代碼和數(shù)據(jù)是否已經(jīng)加載到內(nèi)存等等一系列的其他屬性

頁(yè)表的本質(zhì)屬于進(jìn)程的硬件上下文，在進(jìn)程切換的時(shí)候會(huì)帶走這些信息，被存儲(chǔ)在CPU寄存器中，task_struct中有指向頁(yè)表地址的指針

缺頁(yè)中斷

在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)里，程序運(yùn)行時(shí)使用的是虛擬地址，虛擬地址空間會(huì)被劃分為多個(gè)頁(yè)面。物理內(nèi)存則被劃分為與虛擬頁(yè)大小相同的頁(yè)框。當(dāng)程序訪問(wèn)一個(gè)虛擬地址，而該地址對(duì)應(yīng)的頁(yè)面不在物理內(nèi)存中，也就是沒(méi)有被加載到物理內(nèi)存的頁(yè)框里時(shí)，就會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)中斷，這是一種特殊的中斷，它會(huì)暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理頁(yè)面加載的問(wèn)題

進(jìn)程剛開始運(yùn)行時(shí)，它的代碼和數(shù)據(jù)所在的頁(yè)面可能都還沒(méi)有被加載到物理內(nèi)存中，當(dāng)進(jìn)程第一次訪問(wèn)某個(gè)頁(yè)面時(shí)，就會(huì)因?yàn)樵擁?yè)面不在內(nèi)存而產(chǎn)生缺頁(yè)中斷；或者由于物理內(nèi)存資源有限，操作系統(tǒng)會(huì)使用頁(yè)面置換算法將一些暫時(shí)不用的頁(yè)面從物理內(nèi)存換出到磁盤的交換空間，當(dāng)進(jìn)程后續(xù)又需要訪問(wèn)這些被換出的頁(yè)面時(shí)，就會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)中斷

當(dāng)缺頁(yè)中斷發(fā)生時(shí)，CPU 會(huì)保存當(dāng)前進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)信息，包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器等內(nèi)容，以便在中斷處理完成后能恢復(fù)進(jìn)程的執(zhí)行，操作系統(tǒng)根據(jù)引發(fā)缺頁(yè)中斷的虛擬地址，查找該頁(yè)面在磁盤上的位置，這通常需要借助頁(yè)表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)確定頁(yè)面的磁盤地址，如果物理內(nèi)存中有空閑的頁(yè)框，操作系統(tǒng)會(huì)直接分配一個(gè)頁(yè)框；若沒(méi)有空閑頁(yè)框，就需要使用頁(yè)面置換算法選擇一個(gè)當(dāng)前在物理內(nèi)存中的頁(yè)面換出到磁盤，為即將要加載的頁(yè)面騰出空間，然后發(fā)出磁盤 I/O 請(qǐng)求，將所需的頁(yè)面從磁盤讀取到分配好的物理頁(yè)框中，頁(yè)面加載完成后，操作系統(tǒng)會(huì)更新頁(yè)表，將該虛擬頁(yè)與新分配的物理頁(yè)框建立映射關(guān)系，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，表示該頁(yè)面現(xiàn)在已經(jīng)在物理內(nèi)存中，最后，操作系統(tǒng)恢復(fù)之前保存的進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)，讓進(jìn)程從產(chǎn)生缺頁(yè)中斷的指令處繼續(xù)執(zhí)行

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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