【Linux】地址空间概念

目录

 前言： 地址空间回顾

 验证：一个变量是否会有两个值？

一. 什么是地址空间

虚拟地址与物理地址之间的关系

二. 地址空间是如何设计的 

1. 回答一个变量两个值

2.扩展

继续深入理解

三. 为什么要有地址空间

原因：

1. 使操作系统对访问或者映射的合法性检查，杀掉非法进程，从而保护数据安全。 

2.  使物理内存分配与进程管理，通过页表进行解耦，在加载时确定映射关系后，相互独立

3. 保证每个进程以统一的视角（有序的区域划分）进行管理，完成进程独立性的实现

页表补充

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 前言： 地址空间回顾

之前我们学习C是，对内存分布的了解 

字符串常量在静态常量区（静态区） 

那么这真的是内存吗？

答案是：不是

 那我们之前所了解的上图又是什么？ 那真正的内存又是指什么？让我们来解释其中的奥秘

 验证：一个变量是否会有两个值？

我们运行下面的代码

    #include <iostream>2 #include <unistd.h>3 using namespace std;4 5 int _gar = 100;6 int main()7 {8    pid_t pd = fork();9 10    if (pd == 0)11    {// 子进程12      int cen = 0;13      while (1)14      {15        cout << "I am child ,Pid :" << getpid() << " PPid:" << getppi    d() << " _gar = " << _gar << "地址:" << &_gar << endl;16        sleep(1);17        cen++;18        if (cen == 5)19        {20          _gar = 200;                                                21          cout << "100 -> 200 seccoss -gar = " << _gar << "++++++++++    +++++++++++" << endl; 22        }23      }24    }25    else26    {27     // 父进程28     while (1)29     {30        cout << "I am father ,Pid :" << getpid() << " PPid:" << getpp    id() << " _gar = " << _gar << "地址:" << &_gar << endl;31     sleep(1);32     }33    }34    35   return 0;36 }

根据我们实验出来的结果：

这其实是虚拟地址，也叫线性地址。

几乎所有的语言，所说的“地址”指的并非物理地址，而是虚拟地址！！！！

这里对本文刚开始的内存进行解释：

内存可以分为主存储器（主内存）和辅助存储器（如硬盘、固态硬盘等）。主内存是计算机中直接与CPU交互的存储器，用于存储当前正在执行的程序和数据。辅助存储器则用于长期存储数据，当程序或数据不再需要时，可以将其保存在辅助存储器中。（来源：chatgpt）

一. 什么是地址空间

虚拟地址与物理地址之间的关系

任何数据，都需要加载到内存中，都有各自的物理地址。如果我们进程A,B同时运行，相互独立，万一出现错误，将A将B中的数据读取了，这是极不安全的，而如果在虚拟地址上先操作，再通过一定的机制，确保访问的安全性。因此虚拟地址的存在，保护了物理地址上的数据安全。

地址空间的本质是：一种内核的数据结构，里面至少有各个区域的划分。

二. 地址空间是如何设计的 

我们知道每个进程都有自己的PCB，同时task_struct里面有进程地址空间数据的存储结构，也就是mm_struct。虚拟地址经过页表映射，指向物理地址。

 

 注意：每个进程中，不只是地址空间，页表也有自己私有一份。

 这样我们只要保证每个进程之间经过页表映射后的物理地址不同，即可保证进程之间互不干涉。

1. 回答一个变量两个值

解释：

父进程通过自己的task_struct中地址空间数据访问到在物理空间上的数据，子进程则是共享父进程的代码，但当子进程想对数据进行修改，为了保证进程之间的独立性，系统决定进行写时拷贝，为子进程拷贝一份数据，同时修改子进程页表映射数据。这样就在表面上看就是相同变量，不同的值，但本质上是相同的虚拟地址，不同的页表，不同的物理地址，不同的值。

具体的就体现在id的两次写入：

2.扩展

 结论：在可执行程序，编译时内部就有地址了

 我们在分析地址空间时，一直使用的是OS的视角，而不只是操作系统要遵守，编译器也要遵守！ 即在编译器编译代码时，就已经在内部形成了地址，而且有各个区域：代码区，数据区...并且采用与linux内核一样的编址方式，每一个变量，每一行代码都有其虚拟地址。

继续深入理解

    我们知道执行进程是通过虚拟地址+页表的方式来访问物理地址的，那可执行程序的虚拟地址和页表的数据又是从那里来的呢？

流程分析 ：

所以CPU在读取到变量a时，根据虚拟地址0x100在代码段中寻找，在代码段查询页表后，再跳转0x169地址找到数据a,CPU获取其内部跳转虚拟地址0x123，再从虚拟地址中寻找，通过页表访问到函数func。（物理内存位置随便加载）

三. 为什么要有地址空间

原因：

1. 使操作系统对访问或者映射的合法性检查，杀掉非法进程，从而保护数据安全。 

例：假设char* man = "鸡你太美";  *man = ‘寄’ ， 我们在C语言期间就清楚字符常量无法修改，其原因来自底层页表中会记录代码段地址，并且记录其读写权限，操作系统检测到非法操作后就会中断结束进程，保护数据。（在物理内存我们是可以任意修改的，所以页表上的判断确保了操作的合法性，保护了数据的安全）

2.  使物理内存分配与进程管理，通过页表进行解耦，在加载时确定映射关系后，相互独立

问：是否可以提前加载未来的数据到物理内存中呢？
答：可以

解析: 物理内存的分配和进程管理，之间可以说没有关系。这种关系叫做解耦合，那什么是强耦合呢？就是之间关系紧密，不容易分开，例如：你把函数内容写在main函数里面。

 

我们在学习C,C++时，在语言层面上new,malloc等内存分配上的操作都是在对虚拟地址上的操作。那疑问来了

问：在进行虚拟地址分配的时候是否在物理内存上分配资源？

答：不会，只在你访问时，才申请物理内存空间，通过这延迟分配的策略，提高整机效率。（这个操作仅操作系统自动完成，用户，进程0感知）

3. 保证每个进程以统一的视角（有序的区域划分）进行管理，完成进程独立性的实现

页表补充

以现在的视角看进程，加载内存就好像是创建进程，那是否会加载全部的数据到内存上呢？

我们在玩游戏时有的游戏动则40G，甚至是100G，我们的电脑是绝对装不下的，因此内存有一种内存换下机制，一些数据在一定时间内不再使用则被换下，加载新数据，（说到这里要对页表进行补充，页表不只映射物理内存，也映射硬盘地址）再次使用被换下的数据直接查询页表，用磁盘地址快速访问加载到内存中。

结语

   本小节就到这里了，感谢小伙伴的浏览，如果有什么建议，欢迎在评论区评论，如果给小伙伴带来一些收获请留下你的小赞，你的点赞和关注将会成为博主创作的动力。