一、C語(yǔ)言內(nèi)存管理基礎(chǔ)

引入：以前我們知道一個(gè)指針指向的如果是一個(gè)常量字符串，那么這個(gè)就是指向的常量區(qū)，只讀不可被修改，因此下面的程序會(huì)崩潰。

1、在我們C語(yǔ)言內(nèi)存管理機(jī)制里面線性地址是有區(qū)域劃分的。

我們?nèi)绾悟?yàn)證這個(gè)區(qū)域的劃分是否正確呢？

可以通過代碼的方式在不同的區(qū)域創(chuàng)建變量然后來取地址獲取再進(jìn)行比較

2、棧區(qū)和堆區(qū)是相對(duì)而行的！！

驗(yàn)證棧區(qū)：地址在變低

驗(yàn)證堆區(qū)：地址在變高

3、靜態(tài)變量會(huì)被定義在全局區(qū) 只不過只會(huì)在作用域里使用。

二、fork遺留問題

歷史遺留問題：為什么一個(gè)變量可以同時(shí)等于0又同時(shí)>0 ??

實(shí)驗(yàn)：

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)地址竟然讀到了不同的內(nèi)容！！ 如果變量的地址是一個(gè)物理地址，是絕對(duì)不可能出現(xiàn)這種情況的，因此我們的變量地址必然是不是物理地址?。?/p>

——>結(jié)論：我們平時(shí)C/C++里面使用的地址全都不是物理地址，而是虛擬地址！ 用戶是看不到物理地址的，而OS必須要負(fù)責(zé)將我們所看到的虛擬地址轉(zhuǎn)化成物理地址！

三、進(jìn)程地址空間

其實(shí)我們的之前所學(xué)的線性地址，并不是真正的物理內(nèi)存，而是在PCB內(nèi)部有一個(gè)指針指向了一塊進(jìn)程地址空間，然后虛擬地址會(huì)通過頁(yè)表來映射到具體的物理地址。 ——>所以當(dāng)我們創(chuàng)建出一個(gè)子進(jìn)程后，他會(huì)拷貝一份和父進(jìn)程一樣的地址空間，然后當(dāng)子進(jìn)程想要修改對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)就會(huì)發(fā)生寫時(shí)拷貝（由操作系統(tǒng)自動(dòng)完成），也就是重新開辟空間，在這個(gè)過程當(dāng)中只有頁(yè)表對(duì)應(yīng)的物理地址發(fā)生了變化，左邊的地址空間不會(huì)有任何的感知。

3.1 什么叫做地址空間

在32位的機(jī)器中，有32位的地址和數(shù)據(jù)總線，所以每一根地址總線有0或1，其實(shí)從本質(zhì)上來說計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別是高低電頻而并非二進(jìn)制，所以1代表的是高電頻，0代表的是低電頻。——>這個(gè)過程就是CPU通過像內(nèi)存充電的形式告訴內(nèi)存我需要哪個(gè)地址，然后內(nèi)存就能夠通過識(shí)別高低電頻，形成一個(gè)物理數(shù)據(jù)，將地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)以同樣的方式交給CPU。

所以地址空間就是地址總線排列組合形成的地址的范圍【0,2^32】

3.2 如何理解地址空間的區(qū)域劃分？

舉個(gè)例子：比方說當(dāng)前的桌子有100cm長(zhǎng)，坐著小胖和小美，但是小胖經(jīng)常騷擾小美，所以就在桌子中間畫了一個(gè)三八線。 一人只有50cm的空間。所以從結(jié)構(gòu)上就可以如下劃分：

區(qū)域劃分就是通過結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的start和end去做劃分

如何理解區(qū)域的變大或者變小呢？？——>修改對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的start和end即可

我們不僅要看到地址空間的范圍，我們要知道在范圍內(nèi)連續(xù)的空間中，每一個(gè)最小單位都可以有地址，這個(gè)地址可以被直接使用?。?

3.3 什么是進(jìn)程地址空間

所謂進(jìn)程地址空間，本質(zhì)上就是一個(gè)描述進(jìn)程可視化范圍的地址空間內(nèi)存在各種區(qū)域劃分，對(duì)線性地址進(jìn)行start、end即可 。本質(zhì)上其實(shí)就是一個(gè)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，和PCB一樣，地址空間也是需要被/操作系統(tǒng)管理的：先描述再組織。 而每一個(gè)進(jìn)程都有自己的進(jìn)程地址空間，PCB內(nèi)部有一個(gè)指針指向這塊空間！

四、頁(yè)表

共識(shí)：現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎不做浪費(fèi)空間和時(shí)間的事情！

4.1 寫時(shí)拷貝、缺頁(yè)中斷、惰性加載

頁(yè)表具體有哪些內(nèi)容呢？？——>虛擬地址、物理地址、讀寫權(quán)限、標(biāo)志位（對(duì)應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)是否被加載到內(nèi)存中）

讀寫權(quán)限就可以幫助我們做檢查，比方說當(dāng)前是常量字符區(qū)但是你卻想修改，就會(huì)被/操作系統(tǒng)攔截，該非法請(qǐng)求就不會(huì)被發(fā)送到物理內(nèi)存。

標(biāo)志位就是幫助們判斷進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)是否被加載到內(nèi)存中，因?yàn)槲覀冎牢覀兊倪M(jìn)程對(duì)應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)是有可能處于掛起狀態(tài)的（還沒加載到內(nèi)存）。

惰性加載：其實(shí)就是需要多少就加載多少。操作系統(tǒng)對(duì)大文件是可以實(shí)現(xiàn)分批加載，也就是說當(dāng)前的進(jìn)程可能只有PCB在內(nèi)存中，但是代碼和數(shù)據(jù)可能還沒馬上加載進(jìn)來。

缺頁(yè)中斷：在執(zhí)行進(jìn)程的時(shí)候如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)記位顯示當(dāng)前代碼和數(shù)據(jù)沒有加載起來，就會(huì)發(fā)生缺頁(yè)中斷，也就是暫時(shí)中斷這個(gè)進(jìn)程，然后等代碼和數(shù)據(jù)加載進(jìn)來之后，再恢復(fù)原來的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

問題：一次加載進(jìn)去不是更快嗎，為什么需要檢測(cè)了之后才通過缺頁(yè)中斷加載進(jìn)去？？

——> 一方面是因?yàn)榭赡苓@個(gè)文件特別大，所以沒辦法一次加載進(jìn)去，就算是可以一次加載進(jìn)去，可是你用不也是一點(diǎn)點(diǎn)去用么？？ 所以缺頁(yè)中斷解決的是初步局部性加載的問題，能夠更合理的去使用內(nèi)存！！

寫時(shí)拷貝：數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)是按道理是可寫的，但是一開始權(quán)限會(huì)被設(shè)置成只讀（意思就是當(dāng)前父子進(jìn)程共享），一旦父子進(jìn)程任意一方嘗試做修改的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的數(shù)據(jù)是只讀的（但是這里不做異常處理，而是轉(zhuǎn)而發(fā)生寫時(shí)拷貝），然后開辟一塊新的物理內(nèi)存，修改頁(yè)表的映射

4.2 進(jìn)程地址空間是如何切換的

進(jìn)程PCB結(jié)構(gòu)體里有對(duì)應(yīng)的進(jìn)程地址空間指針，所以進(jìn)程切換就以為這進(jìn)程空間地址空間被切換，而頁(yè)表會(huì)被存儲(chǔ)在CPU的cr3寄存器中，這其實(shí)屬于進(jìn)程的上下文信息，在進(jìn)程切換的時(shí)候會(huì)被進(jìn)程帶走，后面再恢復(fù)過來??！

4.3 進(jìn)程創(chuàng)建的具體過程分析

進(jìn)程被創(chuàng)建的時(shí)候，優(yōu)先加載的是PCB結(jié)構(gòu)體以及里面對(duì)應(yīng)的進(jìn)程地址空間結(jié)構(gòu)體，然后他的代碼和數(shù)據(jù)可能不會(huì)馬上被加載進(jìn)來。

4.4 再次理解進(jìn)程具有獨(dú)立性

1、在內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的

2、物理內(nèi)存中加載的代碼和數(shù)據(jù)，只需要再頁(yè)表上去體現(xiàn)。虛擬地址可以一樣，但是通過頁(yè)表映射不同的物理地址，就可以讓父子進(jìn)程解耦，一旦發(fā)生了任何異常，你釋放你的我釋放我的。

3、通過頁(yè)表的虛擬地址映射物理地址，可以隨便取地址，甚至是亂序。但是虛擬地址可以將一個(gè)線性的地址呈現(xiàn)給進(jìn)程。

五、為什么要有進(jìn)程地址空間？（重點(diǎn)）

所以我們可以對(duì)進(jìn)程進(jìn)行一個(gè)再總結(jié)：

講個(gè)故事1：

一個(gè)大富翁（操作系統(tǒng)）有10億美金，而他有四個(gè)私生子，但是四個(gè)私生子（進(jìn)程）都并不知道對(duì)方的存在，所以他們都認(rèn)為大富翁只有他唯一一個(gè)兒子，而大富翁告訴他們一旦自己去世了，就把所有的家產(chǎn)留給他，所以每個(gè)兒子也都信了，所以大富翁其實(shí)給每個(gè)私生子都畫了一個(gè)大餅（進(jìn)程地址空間）。每個(gè)人都認(rèn)為自己有十億家產(chǎn)。 但實(shí)際上是這些私生子要多少才會(huì)給多少（進(jìn)程需要多少空間操作系統(tǒng)就給多少空間）

結(jié)論1：讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待內(nèi)存 這樣我進(jìn)程就不需要關(guān)心說具體應(yīng)該放在物理內(nèi)存的什么位置，也不需要關(guān)心當(dāng)前這個(gè)物理內(nèi)存是否會(huì)影響別人的數(shù)據(jù)，這些工作都由操作系統(tǒng)去完成。

故事2：

你過年的時(shí)候經(jīng)常有壓歲錢，但是你還小所以你經(jīng)常會(huì)買到一些沒有用的東西，于是你的媽媽就讓你把錢交給他保管，等你需要買什么的時(shí)候，他再把錢給你，比如說當(dāng)你想要買個(gè)一塊錢的橡皮時(shí)，你媽媽就給了你一塊錢，但如果你想花100塊錢買個(gè)游戲機(jī)的時(shí)候，你的媽媽就不給你買，所以這個(gè)過程其實(shí)媽媽的作用就是會(huì)阻止你做一些不太適合的事情。

結(jié)論2：增加虛擬地址空間，可以讓我們?cè)L問的時(shí)候增加一個(gè)轉(zhuǎn)換的過程，在這個(gè)轉(zhuǎn)化的過程中我們可以對(duì)我們的尋址進(jìn)行審查，所以一旦異常訪問，直接攔截，該請(qǐng)求就不會(huì)到達(dá)物理內(nèi)存，從而保護(hù)物理內(nèi)存

結(jié)論3：因?yàn)橛械刂房臻g和頁(yè)表的存在，將進(jìn)程管理模塊和內(nèi)存模塊進(jìn)行解耦合 ！

申請(qǐng)物理內(nèi)存的哪一塊？?jī)?yōu)先加載可執(zhí)行程序的哪一部分？？又或者頁(yè)表填寫到什么地方？？這是有Linux的內(nèi)存模塊去管理的，進(jìn)程并不需要關(guān)心。

結(jié)論4：其實(shí)變量名在定義的時(shí)候就已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成一個(gè)個(gè)虛擬地址了，而我們之所以有a和&a，本質(zhì)上是為了區(qū)分想獲取的是變量的值還是地址。

結(jié)論5：以前我們所學(xué)習(xí)的C內(nèi)存管理，其實(shí)本質(zhì)上是進(jìn)程地址空間，而內(nèi)存管理是由Linux替我們完成的，我們上層語(yǔ)言并不需要關(guān)心具體的細(xì)節(jié)，只需要正常去通過對(duì)應(yīng)的線性地址去使用就行了。

六、命令行參數(shù)和環(huán)境變量在棧的上面

所以環(huán)境變量和命令行參數(shù)是在棧之上的一個(gè)獨(dú)立空間。 所以為什么子進(jìn)程可以繼承父進(jìn)程的環(huán)境變量，因?yàn)樽舆M(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，父進(jìn)程已經(jīng)把對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量信息加載進(jìn)去了， 他也是地址空間的一部分，所以他必然有頁(yè)表去幫助我們建立虛擬地址和物理地址的映射，而當(dāng)子進(jìn)程創(chuàng)建的時(shí)候，子進(jìn)程也會(huì)將父進(jìn)程虛擬地址空間當(dāng)中的環(huán)境變量的相關(guān)參數(shù)也給我們建立了一份映射，所以即使你傳參數(shù)，子進(jìn)程也照樣能夠獲得父進(jìn)程的環(huán)境變量信息。

我們目前所關(guān)注的是用戶空間。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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