《Linux从0到99》七 进程地址空间

Posted 2022-11-28 RONIN_WZ

地址空间

• 1. 什么是地址空间？
• 2. 虚拟地址空间出现的原因
• 3. 地址空间的工作方式
• 4. 地址空间的三种管理方式
• • 01 分页式内存管理（提高内存利用率）
  • 02 分段式内存管理（便于管理）
  • 03 段页式内存管理（既提高了内存利用率，又便于内存管理）

1. 什么是地址空间？

地址空间（address space） 表示任何一个计算机实体所占用的内存大小。比如外设、文件、服务器或者一个网络计算机。地址空间包括物理空间以及虚拟空间。

• 物理地址 (physical address): 放在寻址总线上的地址。放在寻址总线上，如果是读，电路根据这个地址每位的值就将相应地址的物理内存中的数据放到数据总线中传输。如果是写，电路根据这个地址每位的值就将相应地址的物理内存中放入数据总线上的内容。物理内存是以字节(8位)为单位编址的。
• 虚拟地址 (virtual address): CPU启动保护模式后，程序运行在虚拟地址空间中。注意，并不是所有的“程序”都是运行在虚拟地址中。CPU在启动的时候是运行在实模式的，内核在初始化页表之前并不使用虚拟地址，而是直接使用物理地址的。

2. 虚拟地址空间出现的原因

如果没有地址空间，我们访问的永远都是真实的物理地址，那么这样会有两个弊端：

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。

3. 地址空间的工作方式

通过地址空间所提供的地址，然后在通过页表转化为物理内存，拿到数据和内容。

4. 地址空间的三种管理方式

01 分页式内存管理（提高内存利用率）

分页式内存管理的虚拟地址组成：页号+页内偏移
页号：页表中页表项的编号。
页内偏移：具体一个变量首地址相较于内存页起始位置的偏移量。
主要功能：映射虚拟地址与物理地址的关系/提供内存访问控制
访问方式：通过虚拟地址中的页号和页内偏移通过页表找到进程中数据在物理内存上的位置。
页表组成：

页号	物理块号
…	…
2	5
1	6
0	7

物理内存块号*物理内存块大小+虚拟地址中偏移量=物理内存地址

假设内存大小为4G，页大小是4096字节，则意味着页号的位是虚拟地址的高二十位，低十二位为页内偏移。（4G=2^32, 4096=2^12, 4G/4096=2^20）
分页式内存内存管理的优点： 将物理内存进行分块管理，通过页表映射虚拟地址与物理内存关系实现数据的离散式存储，提高内存利用率。

02 分段式内存管理（便于管理）

虚拟地址组成：段号+段内偏移

访问方式：通过段表映射进程数据集在物理内存中的位置

段表

段号	物理段起始地址
…	…

进程首先通过虚拟地址中的信息找到段号，通过段号在段表中找到在物理内存中的起始位置，然后加上段内偏移，就可以得到进程中某个数据集的物理内存地址。

分段式内存管理的优点： 使程序员对内存的管理更加方便，将内存段分为了代码段，初始化全局段等等段，什么变量就在什么段申请空间。

03 段页式内存管理（既提高了内存利用率，又便于内存管理）

段页式内存管理：顾名思义，就是将分页式与分段式结合起来的一种内存管理方式。
虚拟地址组成： 段号+段内页号+页内偏移
段表： 段号 段内页表起始地址
页表： 页号 物理块号
访问原理： 先将进程数据分成若干段，为每个段进行命名，再将若干段分成若干页

访问方式： 进程首先是通过自己的分段找到在段表中相应的段号，然后通过该段表项找到页表始址，通过页表项中的物理块号和页内偏移访问物理内存空间。