1、前言

Linux學(xué)習(xí)路線比較線性，也比較長，因此一個(gè)完整的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)就會(huì)分布在兩篇文章中，沒有連貫起來，訂閱的朋友諒解一下，再次感謝訂閱！
上一篇文章最后講到了程序地址空間分布，大家可以先復(fù)習(xí)一下上一篇文章：程序地址空間的初認(rèn)識
本片我們深度學(xué)習(xí)一下程序地址空間，虛擬地址與物理地址的關(guān)系，頁表與物理地址的映射，寫時(shí)拷貝的過程，我們帶著這些問題開始我們今天新的學(xué)習(xí)!

2、什么是進(jìn)程地址空間？

在學(xué)習(xí)地址空間前，我們要明確：C/C++看到的地址其實(shí)并不是真正的地址，它其實(shí)是 虛擬地址，真正的地址是物理地址。
我們通過一個(gè)故事來帶大家更好的理解一下什么是地址空間：
有一個(gè)大富豪，他有10億的資產(chǎn)，同時(shí)擁有四個(gè)私生子，這四個(gè)私生子互相不知道其他人的存在。
私生子1是學(xué)生，私生子2是一個(gè)社會(huì)青年，私生子3是律師，私生子4是企業(yè)家。一天富豪分別對四個(gè)私生子說：
對1說：你是咱家的大學(xué)生，好好學(xué)習(xí)，以后這10個(gè)億都是你的。
對2說：……，以后這10個(gè)億都是你的。
對3說：……，以后這10個(gè)億都是你的。
對4說：……，以后這10個(gè)億都是你的。
他們都各自以為自己有10個(gè)億等著繼承呢，于是他們斷斷續(xù)續(xù)的對父親說：
1：……，有用，需要xxx錢（不過10億的1/10）。父親給了。
2：……，有用，需要xxx錢（不過10億的1/10）。父親給了。
3：……，有用，需要xxx錢（不過10億的1/10）。父親給了。
4：……，有用，需要xxx錢（不過10億的1/10）。父親給了。

操作系統(tǒng)對應(yīng)富豪;
內(nèi)存對應(yīng)那真實(shí)的10個(gè)億;
進(jìn)程對應(yīng)為私生子;
虛擬地址空間對應(yīng)富豪對他們每個(gè)人畫的10億的餅。
總結(jié)：
地址空間其實(shí)并不是真實(shí)的，是操作系統(tǒng)給進(jìn)程畫的餅。

3、進(jìn)程地址空間的劃分

我們看一下地址空間的分布：

地址空間其實(shí)就是上面各個(gè)區(qū)域結(jié)合起來，這些區(qū)域的劃分很簡單，用begin與end兩個(gè)變量一個(gè)指頭，一個(gè)指尾，來限制范圍即可。
根據(jù)以上的學(xué)習(xí)，我們不難得知：雖然地址空間是操作系統(tǒng)給進(jìn)程畫的的餅，但是進(jìn)程多了這些地址空間我們也需要管理起來，要不然進(jìn)程和對應(yīng)的地址空間對應(yīng)不上。說到管理就不得不提“先描述，再組織”。Linux中，這個(gè)進(jìn)程/虛擬地址空間這個(gè)東西，叫做：

struct mm_struct
{
	long code_start; // 代碼區(qū)開始
    long code_end; // 代碼區(qū)結(jié)束
    long data_start; // 數(shù)據(jù)區(qū)開始
    long data_end; // 數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)束
    long heap_start; // 堆區(qū)開始
    long heap_end; // 堆區(qū)結(jié)束
	long stack_start; // 棧區(qū)開始
    long stack_end; // 棧區(qū)結(jié)束
    ... // 其他屬性
}

進(jìn)程地址空間mm_struct里面其實(shí)就是維護(hù)了一張鏈表，每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)結(jié)構(gòu)體vm_area_struct，里面存的就是一個(gè)區(qū)域的開始和結(jié)束地址。

4、虛擬地址與物理地址的關(guān)系

我們來寫一段代碼探究一下地址：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int g_val = 100;                                                                                                                
int main()                            
{                                     
    pid_t id = fork();                
    if(id == 0)                       
    {                                 
        // child                      
        int cnt = 5;                  
        while(1)                                                                                             
        {                                                                                                    
            printf("child, Pid: %d, Ppid: %d, g_val: %d, &g_val = %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);
            sleep(1);                 
            if(cnt == 0)              
            {                                            
                g_val = 200;                             
                printf("child change g_val: 100->200\n");
            }                         
            cnt--;                    
        }                             
    }                                 
    else                              
    {
        // father
        while(1)
        {
            printf("father, Pid: %d, Ppid: %d, g_val = %d, &g_val = %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}

我們知道，在沒有發(fā)生對數(shù)據(jù)的改寫時(shí)，父子進(jìn)程共用一份代碼和數(shù)據(jù)，這里子進(jìn)程對數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改，父子進(jìn)程讀到的值不同了，父子進(jìn)程的全局變量地址怎么還是相同的？？？
問題：
父子進(jìn)程對同一個(gè)地址進(jìn)行讀取，竟然讀出了不同的值？
我們這就能得出之前的結(jié)論：我們C/C++看到的地址是虛擬地址。
有了上面的理解，我們再來談?wù)勌摂M地址和物理地址的關(guān)系：

經(jīng)過虛擬地址的學(xué)習(xí)以及這張圖，我們現(xiàn)在就可以解釋，同一個(gè)地址的值不同。
當(dāng)我們fork創(chuàng)建了子進(jìn)程的時(shí)候，子進(jìn)程與父進(jìn)程共享一份代碼和數(shù)據(jù)，此時(shí)子進(jìn)程與父進(jìn)程進(jìn)程地址空間與頁表是一份。
當(dāng)子進(jìn)程對值進(jìn)行修改的時(shí)，操作系統(tǒng)將父進(jìn)程的進(jìn)程地址空間與頁表拷貝一份給子進(jìn)程。當(dāng)寫入時(shí)，產(chǎn)生寫時(shí)拷貝，重新開一塊物理地址存內(nèi)容，并將子進(jìn)程頁表中物理地址修改即可，子進(jìn)程的虛擬地址沒有變。因此父子進(jìn)程虛擬地址相同是表象，本質(zhì)物理地址已經(jīng)修改了。

5、頁表的作用

頁表的結(jié)構(gòu)中還有一欄，訪問權(quán)限，我們下面看一下：

根據(jù)此結(jié)構(gòu)，我們知道了頁表的第一個(gè)作用：頁表的存在可以有效的進(jìn)行進(jìn)程訪問內(nèi)存的安全檢查！
我們配合一段代碼，大家更好理解：

char* str = "hello Linux";
*str = 'H';

我們都知道hello Linux是在字符常量區(qū)的，是不可被修改的，它不可被修改的本質(zhì)就是：在頁表中，訪問權(quán)限被設(shè)置為r(只讀權(quán)限)。并不是因?yàn)槭窃诖a區(qū)不可被修改，內(nèi)存是可以隨意讀寫的，因?yàn)橛许摫頇?quán)限的限制。
頁表的第二個(gè)作用：將無序變有序。
物理內(nèi)存是不分代碼區(qū)，棧區(qū)，堆區(qū)等的，數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存中的存儲是無序的。
頁表的存在讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待內(nèi)存，所以任意一個(gè)進(jìn)程，可以通過地址空間+頁表可以將亂序的內(nèi)存數(shù)據(jù)，變?yōu)橛行?，分門別類的規(guī)劃好！
CPU中有一個(gè)寄存器CR3，它會(huì)保存當(dāng)前進(jìn)程的頁表地址，此頁表地址直接就是物理地址。操作系統(tǒng)給用戶一個(gè)映射的頁表，是為了上面的兩個(gè)作用，它自己是不需要的。

擴(kuò)展

總結(jié)：

• 每一個(gè)進(jìn)程都是有頁表的；
• 進(jìn)程切換，不僅僅是PCB與代碼、數(shù)據(jù)的切換，切換時(shí)還要帶走自己的進(jìn)程地址空間與頁表。

根據(jù)以上的學(xué)習(xí)，我們想一下，我們的內(nèi)存只有16/32/64，但是運(yùn)行一個(gè)幾百G的大型游戲，是怎么運(yùn)行的呢？
其實(shí)并不是要把這幾百G的數(shù)據(jù)全部加載上來的，而是將數(shù)據(jù)邊加載邊執(zhí)行，對掛起的一個(gè)模塊數(shù)據(jù)與代碼先換出，然后加載需要加載的，這樣進(jìn)程在內(nèi)存中就動(dòng)態(tài)的運(yùn)行起來了。

這就是地址空間的分配。當(dāng)我們其中一塊代碼被執(zhí)行完，我們可以覆蓋式的像物理內(nèi)存中重新加載內(nèi)容，或者重新開辟新的物理內(nèi)存，重新建立新的映射關(guān)系，就可以讓程序邊加載邊執(zhí)行。
頁表中，還有可能存在虛擬地址存在，其他都不存在的情況：
當(dāng)訪問到頁表的虛擬地址存在，其他內(nèi)容不存在時(shí)，此時(shí)訪問暫停，操作系統(tǒng)先申請內(nèi)存，再根據(jù)虛擬地址找到那個(gè)可執(zhí)行程序，重新加載到內(nèi)存里，并把對應(yīng)的物理內(nèi)存放入頁表，這時(shí)再開始訪問，就開始運(yùn)行新加載的代碼了。這個(gè)過程叫做缺頁中斷。

我們其實(shí)也不難發(fā)現(xiàn)，這背后的一切進(jìn)程是完全不知道的，是os給做的，所以頁表的第三個(gè)作用：
頁表 左邊是進(jìn)程管理，右邊是內(nèi)存管理。降低進(jìn)程管理和內(nèi)存管理的耦合度。

6、為什么要有地址空間？

通過上面的學(xué)習(xí)，我們來總結(jié)一下這個(gè)問題的答案：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-804452.html

• 1、有效的保護(hù)了物理地址的安全。通過進(jìn)程地址空間+頁表的映射，對不合法的操作可以有效的攔截。
• 2、將物理地址的無序變?yōu)橛行?/strong>。物理內(nèi)存是不分代碼區(qū)，棧區(qū)，堆區(qū)等的，數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存中的存儲是無序的。頁表的存在讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待內(nèi)存，所以任意一個(gè)進(jìn)程，可以通過地址空間+頁表可以將亂序的內(nèi)存數(shù)據(jù)，變?yōu)橛行?，分門別類的規(guī)劃好！
• 3、降低進(jìn)程管理和物理內(nèi)存管理之間的耦合度。因?yàn)檫M(jìn)程地址空間和頁表的存在，物理內(nèi)存可以不關(guān)心數(shù)據(jù)類型，直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，這樣進(jìn)程管理與物理內(nèi)存管理就做到了解耦。
• 4、保證進(jìn)程的獨(dú)立性。因?yàn)榈刂房臻g的存在，各個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為所有的內(nèi)存空間都屬于自己。每個(gè)進(jìn)程都有自己的地址空間+頁表，這兩者配合實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程的獨(dú)立性，每個(gè)不知道也不需要知道其他進(jìn)程的存在！

到了這里，關(guān)于[Linux 進(jìn)程(五)] 程序地址空間深度剖析的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！