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一.什么是進(jìn)程地址空間？

1.進(jìn)程地址空間基本概念

1. 每一個(gè) 進(jìn)程 運(yùn)行之后，都會有一個(gè)進(jìn)程地址空間 的存在
2. 進(jìn)程地址空間是操作系統(tǒng)OS 給進(jìn)程花的大餅 ， 欺騙進(jìn)程他有足夠的空間用——使每個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為自己獨(dú)占系統(tǒng)內(nèi)存資源。（即虛擬空間）
3. 結(jié)論：進(jìn)程地址空間并不是物理內(nèi)存，而是 虛擬內(nèi)存 的一部分（虛擬地址，不具備存儲能力）

• 進(jìn)程地址空間本質(zhì)上是一種 抽象概念 ，用于描述進(jìn)程如何看待和使用內(nèi)存。

4. 每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)存地址范圍，這樣就不會與其他進(jìn)程發(fā)生沖突。進(jìn)程地址空間通常被劃分為幾個(gè)部分，包括代碼段、數(shù)據(jù)段、堆和棧等，每個(gè)部分都有其特定的用途。
   

2.mm_struct 基本概念

1. 進(jìn)程地址空間需要被操作系統(tǒng)OS 管理 起來，每一個(gè)進(jìn)程都有地址空間，需要 被先描述再組織 ，因此地址空間是一個(gè)內(nèi)核的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（內(nèi)核結(jié)構(gòu)體） ，即我們接下來要提到的 mm_struct
2. 先描述再組織原理博客：【Linux】程序員一定要了解的計(jì)算機(jī)管理理念——描述與組織（9）

3.mm_struct/進(jìn)程地址空間 實(shí)現(xiàn)“區(qū)域劃分”的原理

1. mm_struct 及其實(shí)現(xiàn)區(qū)域劃分的原理： 對一段線性空間設(shè)置start與end

• 我們在這里舉個(gè)例子：小胖和小花同學(xué)要對座位進(jìn)行“區(qū)域劃分”，我們 從計(jì)算機(jī)語言角度如何實(shí)現(xiàn)呢？
  

• 如下所示，我們通過將其 描述成結(jié)構(gòu)體， 對一段線性空間設(shè)置start與end，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域劃分

struct destop_area
{
    int total size;
    int xiaopang_start;
    int xiaopang_end;
    int xiaohua start;
    int xiaohua end;
}

struct destop_area area={100,0,50,50,100};

• 我們打開linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)體源碼，也可以找到證明
  

二.什么是頁表？

1.頁表基本概念

• 引入：進(jìn)程地址空間即虛擬地址，不具備存儲能力

1. 因此操作系統(tǒng)OS會對每個(gè)進(jìn)程維護(hù)一張 映射表， 對應(yīng)著虛擬地址和物理地址 ，這就是 頁表
2. 頁表是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它位于系統(tǒng)空間的頁表區(qū)
3. 頁表還具有 權(quán)限控制 的功能，可以通過設(shè)置頁表項(xiàng)的 權(quán)限位，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存的讀、寫、執(zhí)行等操作的控制。
   

2.進(jìn)程是如何和“頁表”進(jìn)行聯(lián)系?

• 進(jìn)程各種訪問尋址的前提， 一定是它在cpu上運(yùn)行
• cpu上有個(gè) 特殊寄存器cr3 ，他會保存頁表地址，物理地址（頁表地址會保存在進(jìn)程的上下文當(dāng)中）
  

3.每個(gè)進(jìn)程都有頁表，頁表在“進(jìn)程切換”如何跟蹤

根據(jù)第二小點(diǎn)內(nèi)容：

• 答： 經(jīng)過cpu后，頁表地址加載到上下文中保存好， 一起切換
• 原理：進(jìn)程切換時(shí)，地址也會被保存。

三.地址空間＆頁表的作用機(jī)理

1.地址空間＆頁表的基本原理

• 如圖：
• 頁表的主要作用是將虛擬地址空間映射到物理內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。
  

2.【頁表實(shí)驗(yàn)1】探究為什么一對父子進(jìn)程，同樣虛擬地址，讀取數(shù)據(jù)不同？（OS對頁表的調(diào)整）

• 我們經(jīng)過fork，子進(jìn)程經(jīng)過寫時(shí)拷貝會將頁表 完整拷貝 下來一份
  （寫時(shí)拷貝博客：【C++】STL容器——【深淺拷貝】與【寫時(shí)拷貝】對比詳解（拷貝構(gòu)造）（10））
• 因?yàn)?font color="#FF0000"> 進(jìn)程具有獨(dú)立性 ，我們進(jìn)行寫入操作時(shí)，我們無法通過子進(jìn)程修改父進(jìn)程（對應(yīng)同一塊物理內(nèi)存）
  
• 于是，操作系統(tǒng)會單獨(dú)給子進(jìn)程開辟一塊新的物理地址
  

3.【頁表實(shí)驗(yàn)2】為什么可執(zhí)行程序中有大量代碼和數(shù)據(jù)，加載到內(nèi)存任意位置都可以，不用考慮順序位置（頁表映射功能）

• 答：地址空間，以無序變有序——是加載到內(nèi)存任意位置都可以，不用考慮順序位置， 因?yàn)槎紩豁摫碛成?
• 【減小內(nèi)存管理成本，沒有頁表每次都要變化pcb】

• 分析：進(jìn)程地址空間， 讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待內(nèi)存
• 一個(gè)進(jìn)程，可以通過地址空間+頁表可以將 亂序/亂序 的內(nèi)存數(shù)據(jù)，變成 有序 ，分門別類的規(guī)劃好！

4.【頁表實(shí)驗(yàn)3】為什么字符常量區(qū)不可被修改？它曾經(jīng)是如何被修改的？（頁表的權(quán)限控制功能）

• 我們運(yùn)行下面所示程序，程序會崩潰

int main()
{
  char *str= “hello Linux”;   //常量區(qū)曾經(jīng)是如何被修改的？
  *str= 'H';   //常量區(qū)不可被修改
 
  return 0;
}

• 核心原理：頁表還具有 權(quán)限控制 的功能，可以通過設(shè)置頁表項(xiàng)的 權(quán)限位，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存的讀、寫、執(zhí)行等操作的控制。
  

問：為什么程序會崩潰？

• 答：語言程度上：字符常量區(qū)不可被修改
• 答：進(jìn)程地址空間上： 頁表權(quán)限設(shè)置 只讀 ，所以不可被修改

問：曾經(jīng)又是如何被加載的？

• 答：進(jìn)程地址空間上： 頁表權(quán)限設(shè)置 可讀寫 ，所以可以被修改

5.【頁表實(shí)驗(yàn)4】一個(gè)游戲的大小遠(yuǎn)比內(nèi)存大，他在內(nèi)存中如何加載呢？（頁表如何實(shí)現(xiàn)linux掛起狀態(tài)）

• 系統(tǒng)并不需要全部將其加載到內(nèi)存中，加載一部分/不加載，需要時(shí)加載
• 其中涉及到掛起狀態(tài)

頁表如何實(shí)現(xiàn)linux掛起狀態(tài)?

• 頁表中有一個(gè)字段， 標(biāo)志內(nèi)存是否要分配空間 && 有內(nèi)容
• 例如：00 01 11 10 二進(jìn)制形式來表示【是否分配&& 有內(nèi)容】
• 頁表實(shí)現(xiàn)linux掛起狀態(tài)
• 把原來的11狀態(tài)變成00狀態(tài)
  

6.【頁表實(shí)驗(yàn)5】缺頁中斷（進(jìn)程地址空間建立“進(jìn)程管理”與“內(nèi)存管理”的聯(lián)系）【全流程配圖詳解】（重點(diǎn)）

全流程講解：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-861865.html

1. 當(dāng)前有個(gè)進(jìn)程開始訪問，通過cpu得到了頁表的地址，訪問頁表，想找到物理地址
2. 此時(shí)頁表并沒有物理地址，屬于缺頁；于是進(jìn)入暫停狀態(tài)

• 假設(shè)此時(shí)狀態(tài)為下圖
  

3. 這時(shí)操作系統(tǒng)就把磁盤中的程序加載到內(nèi)存中，并把物理地址填入缺失的頁中
   
4. 此時(shí)屬于"已分配(物理地址)"狀態(tài)，標(biāo)志位置1
   

• 結(jié)論：進(jìn)程地址空間建立進(jìn)程管理與內(nèi)存管理的聯(lián)系

到了這里，關(guān)于【Linux-14】進(jìn)程地址空間＆虛擬空間＆頁表——原理＆知識點(diǎn)詳解的文章就介紹完了。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)！