一、引入

對(duì)于C/C++程序，我們眼中的內(nèi)存是這樣的：

我們利用這種對(duì)于與內(nèi)存的理解看一下下面這段代碼：

運(yùn)行結(jié)果：

觀察父子進(jìn)程中 val 變量的值，以及 val 的地址，我們發(fā)現(xiàn)父子進(jìn)程中 val 的地址都是同一個(gè)地址 但是 val 的值并不相同，這是什么意思？？？?jī)?nèi)存中同一個(gè)地址卻存放了兩個(gè)不同的變量值？這顯然是不可能的！地址具有唯一性，地址處存放的數(shù)據(jù)也具有唯一性！

一種合理的解釋是：我們?cè)贑程序中所用到的地址的一個(gè)虛擬地址，并不是真正的物理內(nèi)存地址！

在C/C++程序中我們所使用到的地址都是虛擬地址，這些虛擬地址組合起來(lái)就形成了虛擬地址空間，在Linux中虛擬地址空間被一個(gè)叫struct mm_struct的結(jié)構(gòu)體所管理。

那么我們想知道這個(gè)程序的虛擬地址空間到底虛擬了多大的內(nèi)存呢?
答案是：每個(gè)進(jìn)程所能訪問(wèn)的最大的虛擬地址空間由計(jì)算機(jī)的硬件平臺(tái)決定，具體地說(shuō)是由 CPU 的位數(shù)決定的。

比如 32 位的 CPU 決定了虛擬地址空間的大小為 $[0，2^{32}?1]$，即 0x00000000 - 0xFFFFFFFF，也就是我們常說(shuō)的 4 GB 虛擬內(nèi)存空間。如果是 64 位的CPU，那么尋址范圍是 ，即 0x0000000000000000 - 0xFFFFFFFFFFFFFFFF，共有 17 179 864 184 GB。

所以開(kāi)頭我們看到的內(nèi)存其實(shí)是操作系統(tǒng)為我們程序虛擬的虛擬地址空間，這個(gè)虛擬地址空間的分配如下：

二、虛擬地址與物理內(nèi)存的聯(lián)系

經(jīng)過(guò)上面的介紹我們知道了原來(lái)我們認(rèn)為內(nèi)存其實(shí)是虛擬地址空間，但是我們的代碼與數(shù)據(jù)是要真真實(shí)實(shí)的存儲(chǔ)在物理內(nèi)存中，虛擬地址空間里面存放的僅僅是一些代碼和數(shù)據(jù)的虛擬地址，那么我們是怎么通過(guò)虛擬地址來(lái)找到物理內(nèi)存中的代碼與數(shù)據(jù)呢？

答案是：通過(guò)一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——頁(yè)表和一種硬件——MMU(內(nèi)存管理單元)，通過(guò)頁(yè)表來(lái)進(jìn)行虛擬地址與物理地址一 一對(duì)應(yīng)從而找到相應(yīng)的代碼與數(shù)據(jù)

明白了這些后我們?cè)賮?lái)看開(kāi)頭的問(wèn)題，為什么同一個(gè)地址存放的是不同的數(shù)據(jù)？

在父進(jìn)程剛開(kāi)始創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，子進(jìn)程是的大多數(shù)數(shù)據(jù)（如：task_struct , 虛擬程地址空間等數(shù)據(jù)）都是以父進(jìn)程為模板創(chuàng)建而來(lái)的，因此在最初時(shí)父進(jìn)程與子進(jìn)程的虛擬地址空間和頁(yè)表是相同的，然后父進(jìn)程嘗試去修改變量 val 的值，由于進(jìn)程具有獨(dú)立性，操作系統(tǒng)不能讓父進(jìn)程的修改影響到子進(jìn)程，于是發(fā)生了寫(xiě)時(shí)拷貝，操作系統(tǒng)先在物理內(nèi)存中重新找一塊空間保存了父進(jìn)程修改后的 val 值，然后將父進(jìn)程頁(yè)表中對(duì)應(yīng)物理地址進(jìn)行更改。

注意：虛擬地址不更改，只改變物理地址！因?yàn)槲锢淼刂穼?shí)實(shí)在在的變化了，虛擬地址沒(méi)有必要更改。

三、為什么要有虛擬地址空間

可能你會(huì)覺(jué)得為什么要有虛擬地址空間呢？我們的進(jìn)程為什么不直接使用物理地址呢？直接使用物理地址還能減少中間層提高運(yùn)行的效率。

要回答這個(gè)問(wèn)題我們可以從下面幾個(gè)的角度來(lái)回答：

• 防止地址隨意訪問(wèn)，保護(hù)物理內(nèi)存與其他進(jìn)程

如果我們沒(méi)有虛擬地址空間，當(dāng)我們?cè)趦?nèi)存中運(yùn)行兩個(gè)程序時(shí)，如果其中在一個(gè)進(jìn)程中發(fā)生了越界訪問(wèn)，那么就有可能訪問(wèn)到其他的進(jìn)程，這樣進(jìn)程之間就會(huì)互相影響了，進(jìn)程的獨(dú)立性就無(wú)法保證了

有了虛擬地址空間以后我們便可以通過(guò)頁(yè)表來(lái)進(jìn)行判斷越界后的地址與接下來(lái)的操作是否統(tǒng)一的，如果是統(tǒng)一的便進(jìn)行映射。

• 將進(jìn)程管理和內(nèi)存管理進(jìn)行解耦合!
  這里我們先來(lái)談一談malloc的本質(zhì)，malloc函數(shù)是在調(diào)用后向OS申請(qǐng)內(nèi)存，操作系統(tǒng)立馬給你，還是需要的時(shí)候在給你呢 ?
  答案是：在你需要的時(shí)候給你?。?！
  那么為什么會(huì)是這樣的呢？因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)要管理好所有的軟硬件資源，OS一般不允許任何的浪費(fèi)或者不高效的行為出現(xiàn)!
  
  我們?cè)谏暾?qǐng)完內(nèi)存以后并不一定立馬使用，在你申請(qǐng)成功之后，和你使用之前，就以一段小小的時(shí)間窗口，這個(gè)空間沒(méi)有被正常使用，但是別人用不了，于是這塊空間就處于了閑置狀態(tài)! 這是OS不允許的！
  
  于是我們?cè)谟?code>malloc申請(qǐng)空間時(shí)OS其實(shí)是先通過(guò)task_struct找到虛擬地址空間和管理虛擬地址空間的mm_struct結(jié)構(gòu)體，然后對(duì)于虛擬地址空間的內(nèi)容進(jìn)行修改并將mm_struct里關(guān)于堆區(qū)的范圍進(jìn)行修改，然后頁(yè)表中關(guān)于虛擬地址的部分的內(nèi)容會(huì)進(jìn)行增加，但是新增的虛擬地址去沒(méi)有與實(shí)際的物理地址建立映射關(guān)系，只有當(dāng)你要使用你申請(qǐng)的空間時(shí)，OS才會(huì)真正的為你分配空間，并將頁(yè)表中新增的虛擬地址對(duì)應(yīng)的物理地址的映射關(guān)系建立起來(lái)！這時(shí)OS才真正的完成了內(nèi)存分配！
  

這個(gè)時(shí)候，我們將頁(yè)表從中間一分為二，左邊就是進(jìn)程管理，右邊就是內(nèi)存管理，進(jìn)程管理發(fā)生錯(cuò)誤不影響內(nèi)存管理，內(nèi)存管理出現(xiàn)錯(cuò)誤不影響進(jìn)程管理，這樣我們就實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程與內(nèi)存管理的解耦合！

• 可以讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角，看待自己的代碼和數(shù)據(jù)!
  在這里我們來(lái)討論一下我們的程序在被編譯的時(shí)候，沒(méi)有被加載到內(nèi)存，我們的程序內(nèi)部有沒(méi)有地址呢?
  答案是：有的！
  
  我們的C/C++程序在被編譯時(shí)就采用了虛擬地址空間的方式進(jìn)行編譯，并將數(shù)據(jù)按照代碼段，已初始化數(shù)據(jù)段，未初始化數(shù)據(jù)段等方式進(jìn)行分類存儲(chǔ)。當(dāng)我們的程序加載進(jìn)內(nèi)存時(shí)，我們的程序可以分批式的將程序的數(shù)據(jù)段，代碼段，分批的加載進(jìn)地址空間中。
  注意：編譯好的程序并沒(méi)有堆區(qū)和棧區(qū),只有加載進(jìn)內(nèi)存時(shí)形成進(jìn)程時(shí)才有堆區(qū)與棧區(qū)！

有了地址空間之后我們的進(jìn)程便不再關(guān)心代碼與數(shù)據(jù)究竟在內(nèi)存中的哪里，我們每個(gè)進(jìn)程都是以統(tǒng)一的視角——虛擬地址空間的方式來(lái)待自己的代碼與數(shù)據(jù)。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-404697.html

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