进程地址空间

Posted 2021-09-04 两片空白

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了进程地址空间相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在博客C/C++内存管理一文中，我们了解到了C/C++的内存管理，大概了解了内存分布情况。实际完整的进程地址空间如下。

来一段代码验证一下：

    1 #include<stdio.h>
    2 #include<stdlib.h>
    3 int g_val1=1;
    4 int g_val2;
    5 int main(int argc,char *argv[],char *env[]){
    6   //代码区地址
    7   printf("%p\\n",main);
    8   //全局数据区
    9   printf("%p\\n",&g_val1);
   10   printf("%p\\n",&g_val2);
   11 
   12   int *m=(int *)malloc(10);
   13   //堆地址
   14   printf("%p\\n",m);
   15   //栈地址
   16   printf("%p\\n",&m);
   17   //命令行参数地址
   18   printf("p\\n",argv[0]);
   19   //环境变量地址
   20   printf("%p\\n",env[0]);
   21 
   22   return 0;                                                                                                                                            
   23 }

但是，学了操作系统的进程地址空间后，发现这并不是我们所理解的内存。

一.发现问题

先来一段代码：

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<stdlib.h>
  4 
  5 int g_val=0;
  6 int main(){
  7   pid_t id=fork();
  8   if(id==0){
  9     printf("i am child... pid:%d, g_val:%d, &g_val:%p\\n",getpid(),g_val,&g_val);
 10     sleep(1);
 11   }
 12   else if(id>0){
 13 
 14     printf("i am father... pid:%d, g_val:%d, &g_val:%p\\n",getpid(),g_val,&g_val);
 15     sleep(1);                                                                                                                                            
 16   }
 17   else{
 18     perror("fork");
 19     exit(1);
 20   }
 21 
 22   return 0;
 23 }

但是将代码稍加改动，在保证子进程先跑，并且在子进程里改动全局变量g_val的值。

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<unistd.h>
  3 #include<stdlib.h>
  4 
  5 int g_val=0;
  6 int main(){
  7   pid_t id=fork();
  8   if(id==0){
  9     g_val=100;                                                                                                                                           
 10     printf("i am child... pid:%d, g_val:%d, &g_val:%p\\n",getpid(),g_val,&g_val);
 11     sleep(1);
 12   }
 13   else if(id>0){
 14     //父子进程顺序有调度器决定
 15     sleep(2);//保证子进程先跑
 16     printf("i am father... pid:%d, g_val:%d, &g_val:%p\\n",getpid(),g_val,&g_val);
 17     sleep(1);
 18   }
 19   else{
 20     perror("fork");
 21     exit(1);
 22   }
 23 
 24   return 0;
 25 }

这就发现一个问题，如果系统的内存像我们上面那样分布，在同一个地址空间里的内容不可能不一样。(值是先改变的)

二.得出结论

如上问题，同一地址空间的内容不一样，所以，父子进程输出的变量绝对不是同一个变量。
但是他们的地址值相同，所以这个地址绝对不是实际的内存物理地址。
在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址，我们用C/C++语言看到的地址全部都是虚拟地址，物理地址用户看不到，有操作系统管理。
操作系统负责将虚拟地址转化为物理地址

进程地址空间不是实际的内存。

三.实际的进程地址空间

可能你现在还看不懂这张图，看完下面的说明，你再来看可能就很清楚了。

3.1 什么是进程地址空间？

进程地址空间是一张描述进程占有资源的一张表。再内核中的体现为一个数据结构mm_struct，将实际内存划分成了各种区域。

3.2 进程地址空间是怎么工作的？

虚拟地址通过页表映射到实际物理内存上的物理地址。

页表：页表上保存着虚拟地址与实际内存物理地址的关系，还保存着其它的管理权限。比如一个变量的可读可写权限。虚拟地址通过这张表来对应上内存的实际地址。页表也将内存管理和进程管理分割成了两个独立的部分，便于管理。

虚拟地址通过页表转化成实际地址动作是操作系统做的。

3.3 为什么存在进程地址空间。

通过虚拟内存实现空间分布更加合理，相同数据放一起。

如果没有进程地址空间，进程都是在物理地址空间上直接开辟，如果一个进程空间地址后面紧跟着一个进程，这个进程要扩容时，可能会导致一个进程的空间不连续。数据在实际内存地址是随便放的。

保护物理地址空间

进程地址空间与实际地址空间通过页表进行转化，有一个一一对应关系。如果有一个野指针访问到了别的地址空间。第一：可能页表上根本没有对应关系，直接保错。第二：页表保存的其它管理权限也可能导致，访问不了，直接报错，所以说将进一步保护了物理地址空间。

3.4.解决上面问题

为什么父子进程全局变量的地址相同而内容不同？

因为进程地址空间不是实际的内存，与实际内存存在一种映射关系。每一个进程都会对应一个进程地址空间，父进程创建子进程，子进程拷贝了父进程的进程地址空间，所以两个全局变量g_val的地址相同。当子进程将g_val改变时。操作系统会改变子进程页表中虚拟地址和物理地址的映射关系，重新在实际物理空间开辟一空间，保存改变的值，但是进程地址空间没有变化，变化的是实际物理地址。

注意：有多少进程就有多少进程地址空间和页表。