Linux地址空间

Posted 2021-07-18 蚍蜉撼树谈何易

Linux地址空间

• 进程地址空间
• • 进程地址空间是内存地址吗？
• 什么是地址空间
• 地址空间提出的原因？
• 地址空间是怎么工作的？
• 接下来深刻理解一下什么是进程
• 地址空间的三种映射
• • 页表映射
  • 段表映射
  • 段页式内存管理

进程地址空间

进程地址空间是内存地址吗？

#include<iostream>
 #include<unistd.h>
using namespace std;
int g_val=100;
 int main()
  {
       cout<<"this is my process"<<endl;
       pid_t pd=fork();
       if(pd<0)
      {
          cerr<<"failed"<<endl;
      }
     else if(pd==0)
     {
         g_val=1000;
        cout<<"i am son"<<"my val is"<<g_val<<" my address "<<&g_val<<endl;
      }
     else
      {
          sleep(2);
          cout<<"i am father"<<"my val is"<<g_val<<" my address "<<&g_val<<endl;
      }
      return 0;                                                                                                                                                                         
  }

实验结果：

结论：地址空间绝对不是数据存储的真实物理地址。它是一段虚拟地址。最终一定要以某种方式转化为物理地址。
由此可知，我们在任何情况下打印出来的地址都是虚拟地址，而不是其真实物理地址。

什么是地址空间

地址空间就是一个结构体，通过结构体将我们所虚拟化出的栈、堆、数据段、代码段等组织起来的一个结构体

其中进程的PCB中含有该结构体(mm_struct),因为内存的分配是离散分配的，所以我们不得不让该结构体将数据组织起来。
解释一下：为什么两个不一样的数据其地址是相同的？
1.因为子进程要拷贝父进程的PCB，所以它们是相同的。
2.因为子进程在执行时对全局变量g_val进行了修改，此时它们虽然看起来地址是一样的，但在物理内存中，一定存在额外的物理地址去存储子进程的数据。这是进程独立性的特点。
接下来回答一下到底什么是地址空间：
地址空间，是对物理内存的一段虚拟化表示，虚拟地址一定要通过某种映射关系将其转化为物理地址。 通常有页表、段表、段页式结合，来将其变为物理内存的地址，后面阐述。

地址空间提出的原因？

如果没有地址空间的话，我们访问的永远都是真实的物理地址，会有两个弊端。
1,保护内存。如果直接对物理内存进行操作的话，则有可能会对操作范围之外的数据进行错误的操作，比如野指针等概念。
2.数据在内存中的存储是离散分配的，如果采用直接访存的话，非常的不方便，增加了越界访存的概率。

地址空间是怎么工作的？

地址空间，利用虚拟内存将空间连续化处理了。
地址空间的描述：
通过mm_struct结构体组织出来

struct mm_struct {

    //指向线性区对象的链表头
    struct vm_area_struct * mmap;       /* list of VMAs */
    //指向线性区对象的红黑树
    struct rb_root mm_rb;
    //指向最近找到的虚拟区间
    struct vm_area_struct * mmap_cache; /* last find_vma result */

    //用来在进程地址空间中搜索有效的进程地址空间的函数
    unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
                unsigned long addr, unsigned long len,
                unsigned long pgoff, unsigned long flags);

       unsigned long (*get_unmapped_exec_area) (struct file *filp,
                unsigned long addr, unsigned long len,
                unsigned long pgoff, unsigned long flags);

    //释放线性区时调用的方法，          
    void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);

    //标识第一个分配文件内存映射的线性地址
    unsigned long mmap_base;        /* base of mmap area */


    unsigned long task_size;        /* size of task vm space */
    /*
     * RHEL6 special for bug 790921: this same variable can mean
     * two different things. If sysctl_unmap_area_factor is zero,
     * this means the largest hole below free_area_cache. If the
     * sysctl is set to a positive value, this variable is used
     * to count how much memory has been munmapped from this process
     * since the last time free_area_cache was reset back to mmap_base.
     * This is ugly, but necessary to preserve kABI.
     */
    unsigned long cached_hole_size;

    //内核进程搜索进程地址空间中线性地址的空间空间
    unsigned long free_area_cache;      /* first hole of size cached_hole_size or larger */

    //指向页表的目录
    pgd_t * pgd;

    //共享进程时的个数
    atomic_t mm_users;          /* How many users with user space? */

    //内存描述符的主使用计数器，采用引用计数的原理，当为0时代表无用户再次使用
    atomic_t mm_count;          /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */

    //线性区的个数
    int map_count;              /* number of VMAs */

    struct rw_semaphore mmap_sem;

    //保护任务页表和引用计数的锁
    spinlock_t page_table_lock;     /* Protects page tables and some counters */

    //mm_struct结构，第一个成员就是初始化的mm_struct结构，
    struct list_head mmlist;        /* List of maybe swapped mm's.  These are globally strung
                         * together off init_mm.mmlist, and are protected
                         * by mmlist_lock
                         */

    /* Special counters, in some configurations protected by the
     * page_table_lock, in other configurations by being atomic.
     */

    mm_counter_t _file_rss;
    mm_counter_t _anon_rss;
    mm_counter_t _swap_usage;

    //进程拥有的最大页表数目
    unsigned long hiwater_rss;  /* High-watermark of RSS usage */、
    //进程线性区的最大页表数目
    unsigned long hiwater_vm;   /* High-water virtual memory usage */

    //进程地址空间的大小，锁住无法换页的个数，共享文件内存映射的页数，可执行内存映射中的页数
    unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;
    //用户态堆栈的页数，
    unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;
    //维护代码段和数据段
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
    //维护堆和栈
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;
    //维护命令行参数，命令行参数的起始地址和最后地址，以及环境变量的起始地址和最后地址
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;

    unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */

    struct linux_binfmt *binfmt;

    cpumask_t cpu_vm_mask;

    /* Architecture-specific MM context */
    mm_context_t context;

    /* Swap token stuff */
    /*
     * Last value of global fault stamp as seen by this process.
     * In other words, this value gives an indication of how long
     * it has been since this task got the token.
     * Look at mm/thrash.c
     */
    unsigned int faultstamp;
    unsigned int token_priority;
    unsigned int last_interval;

    //线性区的默认访问标志
    unsigned long flags; /* Must use atomic bitops to access the bits */

    struct core_state *core_state; /* coredumping support */
#ifdef CONFIG_AIO
    spinlock_t      ioctx_lock;
    struct hlist_head   ioctx_list;
#endif
#ifdef CONFIG_MM_OWNER
    /*
     * "owner" points to a task that is regarded as the canonical
     * user/owner of this mm. All of the following must be true in
     * order for it to be changed:
     *
     * current == mm->owner
     * current->mm != mm
     * new_owner->mm == mm
     * new_owner->alloc_lock is held
     */
    struct task_struct *owner;
#endif

#ifdef CONFIG_PROC_FS
    /* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */
    struct file *exe_file;
    unsigned long num_exe_file_vmas;
#endif
#ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER
    struct mmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm;
#endif
#ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
    pgtable_t pmd_huge_pte; /* protected by page_table_lock */
#endif
    /* reserved for Red Hat */
#ifdef __GENKSYMS__
    unsigned long rh_reserved[2];
#else
    /* How many tasks sharing this mm are OOM_DISABLE */
    union {
        unsigned long rh_reserved_aux;
        atomic_t oom_disable_count;
    };

    /* base of lib map area (ASCII armour) */
    unsigned long shlib_base;
#endif
};

地址空间的组织：
每个进程的PCB中都有一个mm_struct结构体，此时对虚拟地址进行映射，得到真实的物理地址。

接下来深刻理解一下什么是进程

进程就是，是程序的一次执行，是处理机调度和处理机资源分配的一个基本单位。由进程常见的数据结构(struct task_struct(进程控制块)&&struct mm_struct(地址空间))和代码、数据组成。

地址空间的三种映射

页表映射

将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页(page)，而物理内存划分为同样大小的页框(page frame)。程序加载时，可将任意一页放人内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分配。在页式存储管理方式中地址结构由两部构成，前一部分是页号，后一部分为页内地址w（位移量）;

需要几次访存？
两次，首先明确页表是位于内存中的，第一次访存是为了获取块号，通过的出的块号+偏移地址得出它的物理地址，第二次访存去取数据或代码
优缺点：
1.没有外碎片，每个内碎片不超过页大比前面所讨论的几种管理方式的最大进步是
2，一个程序不必连续存放。

3.便于改变程序占用空间的大小(主要指随着程序运行，动态生成的数据增多，所要求的地址空间相应增长)。

缺点：要求程序全部装入内存，没有足够的内存，程序就不能执行；

段表映射

在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干个段(segment)，这样每个进程有一个二维的地址空间。在前面所介绍的动态分区分配方式中，系统为整个进程分配一个连续的内存空间。而在段式存储管理系统中，则为每个段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以不连续地存放在内存的不同分区中。程序加载时，操作系统为所有段分配其所需内存，这些段不必连续，物理内存的管理采用动态分区的管理方法。
简单来说，对于一个进程而言，其中不同的数据可能在栈上，可能在堆上，于是基于这种特点引进了分段式内存管理。
当然， 虚拟地址和物理地址之间是通过段表来进行映射的。可以参考分页式内存管理。
分段分页的异同
1.需求 是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以减少内存的碎片，提高内存的利用率。或者说，分页仅仅是由于系统管理的需要，而不是用户的需要。段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了更好地满足用户的需要。

2.指令 一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。

3.大小 页大小固定且由系统决定，把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的。段的长度不固定，且决定于用户所编写的程序，通常由编译系统在对源程序进行编译时根据信息的性质来划分。

4.逻辑地址表示 页式系统地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只需利用一个标识符，即可表示一个地址。分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。

5.查找 比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。
需要几次访存？
两次，第一次访问的是段的起始地址，进而通过与偏移地址相加得到的是真实物理地址，第二次取出相应的数据或代码。

段页式内存管理

段页式内存管理，结合了分页分段的优点，在进行分段的基础上又进行了分页式的内存管理。
唯一缺点就是要求程序全部装入内存，没有足够的内存，程序就不能执行；
虚拟地址空间是一个mm_struct结构体，是操作系统为进程描述的一个完整线性以及连续的内存空间，实现了进程在物理地址的离散式存储，提高了内存访问率。通过页表段表对内存进行控制。
需要几次访存？
段页式系统中，须三次访问内存。第一次访问是访问内存中的段表，从中取得页表始址；第二次是访问内存中的页表，从中取出该页所在的物理块号，并将该块号与业内地址一起形成指令或数据的物理地址；第三次访问从第二次访问所得的地址中，取出指令或数据。