Linux-地址空间

问题引入

在Linux操作系统中、vim编译器下，出现了变量同地址但不同值的现象。
下面以解释该现象产生的原因为主线，在过程中学习Linux操作系统的知识。

运行代码展示：

运行结果展示：

操作系统宏观认识

操作系统是什么？
操作系统是一个专注于“管理“功能的软件。
管理的对象是什么？
资源。

操作系统与进程

什么是进程？
课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等。
内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。
详细介绍

操作系统是如何管理进程的？
先描述再组织。
描述：用名为PCB（process control block）的struck结构体记录进程的基本信息，在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
组织：用如链表的的数据结构组织起来。

操作系统创建系统的过程

1. 分配进程控制块（PCB）：操作系统为新进程分配一个独立的PCB，用于存储进程的相关信息。
2. 分配地址空间：操作系统为新进程分配一段内存空间，用于存储进程的代码、数据和堆栈等信息。
3. 加载程序：操作系统将进程的可执行文件从磁盘或其他存储设备中读入内存，并将其复制到进程的地址空间中。
4. 初始化进程：操作系统为新进程初始化一些必要的数据结构和变量，如文件描述符表、信号处理表等。
5. 设置进程优先级：操作系统为新进程设置一个优先级，用于决定进程在系统中的调度顺序。
6. 将进程加入就绪队列：操作系统将新进程加入就绪队列，等待CPU分配资源并执行

程序地址空间

Linux验证地址空间分布图：

进程地址空间

什么是虚拟内存？

虚拟内存是一种计算机内存管理技术，它允许操作系统将物理内存和磁盘空间组合使用，从而扩展可用内存的大小。虚拟地址空间通过页表映射到物理内存或者磁盘上。当进程需要访问某个页面时，操作系统会从磁盘读取到物理内存中，然后将该程序地址空间的虚拟地址映射到物理地址，使得进程可以访问该页面。当物理内存不足时，操作系统会将一些不常用的空间，从物理内存中换出到磁盘上，从而腾出空间给其他进程使用。虚拟内存技术可以提高系统的内存利用率，使得多个进程可以同时运行，而不会因为内存不足而导致系统崩溃。

虚拟内存存在的意义？

1. 扩大可用内存空间：虚拟内存可以将磁盘空间作为扩展内存使用，从而扩大了可用内存空间。这样，即使物理内存不足，也可以运行更多的程序。（因为页表可以映射外存）
2. 提高程序运行效率：虚拟内存可以将不常用的内存数据暂时存储到磁盘上，从而释放物理内存空间，让更常用的数据可以被加载到内存中，提高程序的运行效率。(由于页表的存在，在进程视角，内存中分配的空间是有序的)（有些分配了内存也不会立刻使用，虚拟内存的存在就提高了实际内存的使用效率）
3. 保护系统稳定性：虚拟内存可以将程序的内存空间隔离开来，防止程序之间相互干扰，从而保护系统的稳定性。（物理内存是一个硬件，既可以读也可以写（虚拟内存只可以读），在物理内存的设计下，如果进程1中出现野指针那么有可能实际访问到其他进程的内容，如果其他进程中存有密码类的东西，那么这样就是不安全的，直接使用物理内存缺点很多，可以查查。）
4. 实现内存共享：虚拟内存可以实现内存共享，多个进程可以共享同一块内存空间，从而减少内存的使用量，提高系统的效率。

什么是写时拷贝？

写时拷贝（Copy-on-write，简称COW）是一种内存管理技术，它允许多个进程共享同一块内存，但只有在进程试图修改该内存时才会进行实际的拷贝操作。这种技术可以减少内存的使用量，提高系统的性能。

在写时拷贝的实现中，当一个进程试图修改共享内存中的某个数据时，操作系统会先检查该内存块是否已经被其他进程共享。如果是，则操作系统会为该进程分配一块新的内存，将原始内存块中需要修改的数据拷贝到新的内存块中，然后让该进程修改新的内存块。其他进程仍然共享原始内存块，直到它们也试图修改该内存块中的数据。

在C语言中malloc的是什么地址？
虚拟地址，malloc的空间被写入时，才会在物理空间上有实际的空间。
相关知识：操作系统在第一次构建页表时，并不会为进程分配实际的物理内存，而是只是为进程分配了虚拟地址空间。当进程第一次访问某个虚拟地址时，操作系统才会为该虚拟地址分配实际的物理内存。

地址空间在编译中也生效，编译时地址空间是指程序在编译时所使用的虚拟地址空间。

问题解释

frok创建进程时，再父进程中返回所创建的子进程的值，在子进程中返回了0，也就是说此时发生了写时拷贝（在子进程中写入了 = 0 ）发生了写时拷贝，物理内存会重新分配一块地方作为新的虚拟内存，也就是说，这里两个地址相同的变量，只是虚拟内存的地址相同，实际物理地址并不相同。