程序地址空間回顧

我們在初學(xué)C/C++的時候，我們會經(jīng)?？匆娎蠋焸儺嬤@樣的內(nèi)存布局圖：

可是這真的是內(nèi)存嗎？

如果不是它內(nèi)存，那它是什么呢？

從代碼結(jié)果推結(jié)論

在回答上面的問題之前我們先看一段代碼：

運(yùn)行結(jié)果：

通過運(yùn)行結(jié)果我們可以看出，父進(jìn)程的g_val一直都是保持為10，但是子進(jìn)程的g_val卻是一直在變化！這還不是最恐怖的，最恐怖的是父子進(jìn)程的g_val是一樣的地址，那么說明父子進(jìn)程的g_val是同一塊空間啊，那么是同一塊空間的話，子進(jìn)程去修改了g_val，父進(jìn)程再去讀取g_val應(yīng)該是子進(jìn)程修改過后的，可是父進(jìn)程似乎還是讀取的以前的值(10)；

首先一塊空間是不可能保存兩份值的！父子進(jìn)程能從統(tǒng)一個變量里讀取兩份值出來，那么說明父子進(jìn)程的g_val絕對不是表示的同一塊空間，&g_val出來的地址也絕對不可能是真實(shí)的物理地址！

如果&g_val出來的是物理地址的話，那么父子進(jìn)程的g_val就表示的同一塊空間，那么從同一塊空間讀取出來的值就應(yīng)該是一樣的，但是事實(shí)卻不是這樣的！ 

那么就說明我們在語言級別上的取地址，取出來的絕對不是真實(shí)的物理地址，相對的我們把這種地址叫做虛擬地址！

引入進(jìn)程地址空間

通過上面的例子我們知道了我們在語言層面上取出來的地址絕對不是真實(shí)的物理地址，這個我們知道了，可是這與我們的進(jìn)程地址空間有什么關(guān)系？

在講解進(jìn)程地址空間之前，我們先講一個故事：

在遙遠(yuǎn)的美國，有一個大富豪，這個大富豪有100億美金，同時他有4個私生子：A、B、C、D這4個私生子都不知道彼此的存在，都認(rèn)為自己是大富豪唯一的孩子：

有一天呢大富豪對分別A、B、C、D單獨(dú)說：你好好干，以后我的這100億家產(chǎn)都是你的！用我們現(xiàn)在的話說，大富豪的承諾相當(dāng)于在給A、B、C、D畫餅！A、B、C、D都認(rèn)為自己擁有100億美金，因?yàn)樗麄兌颊J(rèn)為自己是大富豪的唯一繼承人！在某一天A對大富豪說：“爹，給我1000美金，我需要買個表”，大富豪說沒問題，大富豪就從100億美金中拿出了1000美金給了A，B這時候也想大富豪申請了900美金，大富豪毫不猶豫的就答應(yīng)了，但是C對大富豪說：“爹，快給我50億美金，我這出了

點(diǎn)事，需要擺一下”，大富豪說：“滾！”，大富豪無情的拒絕了C的請求！但是C還是認(rèn)為自己擁有100億美金，因?yàn)樗J(rèn)為自己是大富豪的唯一繼承人，等到大富豪駕鶴西去之時就是100億美金到賬之日！

在上面的故事中呢：A、B、C、D相當(dāng)于我們的進(jìn)程；

大富豪給A、B、C、D畫的“餅”就是進(jìn)程地址空間！

100億美金就是物理內(nèi)存；

大富豪就是OS；

其中A、B、C、D向大富豪借錢的動作就是向OS申請物理內(nèi)存！申請的太多，OS是會拒絕我們的！

OS最為我們計(jì)算機(jī)中的管理者，那么它要不要把給進(jìn)程們畫的“餅”管理起來呢？

答案是要的！為什么呢？如果不管理起來的畫，在進(jìn)程多起來的時候OS也不知到他給進(jìn)程們到底畫的什么餅！

那么如何管理這些“餅”呢？

先描述，再組織

在Linux中，OS利用了一個struct mm_struct{}的結(jié)構(gòu)體將這個餅管理了起來，每個進(jìn)程都有屬于自己的專屬大餅，其中進(jìn)程的pcb是中具有指向該大餅的指針！OS呢會將這些大餅做一個區(qū)域劃分！比如規(guī)定大餅的這個區(qū)域是干嘛的，那個區(qū)域是干嘛的！這些區(qū)域，也就是我們看到的什么堆區(qū)、棧區(qū)、代碼區(qū)等等！這個大餅也就是我們老師在日常中講解的C/C++內(nèi)存布局：

Linux下的mm_struct 結(jié)構(gòu)體就是專門記錄這張大餅的！

struct mm_struct{
long Code_start;
long Code_end;
long init_start;
long init_end;
……
long stack_start;
long stack_end;
}

當(dāng)我們向堆區(qū)申請空間時heap_end就會變大，free時heap_end就會變小！

說白了進(jìn)程地址空間就是OS欺騙進(jìn)程的一種手段，讓內(nèi)存誤以為自己擁有全部的物理內(nèi)存；

頁表

可是進(jìn)程地址空間畢竟只是邏輯上的內(nèi)存，并不是真正的物理內(nèi)存，是不能存儲數(shù)據(jù)，進(jìn)程的數(shù)據(jù)和代碼是只能存儲在物理內(nèi)存上的，但是進(jìn)程使用的是虛擬內(nèi)存！進(jìn)程也只能訪問虛擬地址，但是實(shí)際的數(shù)據(jù)是存儲在物理內(nèi)存上的，那么進(jìn)程是如何通過虛擬地址拿到數(shù)據(jù)和代碼的？

實(shí)際上在虛擬地址與物理地址之間是有一種映射關(guān)系的，這種映射關(guān)系被存儲在頁表中！每個進(jìn)程都有自己的頁表！

當(dāng)進(jìn)程需要訪問虛擬地址上某一處的數(shù)據(jù)時，OS就會拿著進(jìn)程提供的虛擬地址，根據(jù)該進(jìn)程提供的頁表轉(zhuǎn)換成對于的物理地址，然后去對于的物理內(nèi)存上取數(shù)據(jù)在交給進(jìn)程！這個過程進(jìn)程是看不到的，站在進(jìn)程的角度就是，我（進(jìn)程）需要訪問虛擬地址為0x11223344處的數(shù)據(jù)，然后就直接拿到了數(shù)據(jù)，在進(jìn)程看來它就認(rèn)為自己的數(shù)據(jù)是存儲在虛擬內(nèi)存上的，只要自己需要，隨時都可以拿到，殊不知其真實(shí)數(shù)據(jù)是存儲在物理內(nèi)存上的，進(jìn)程之所以能隨時拿到數(shù)據(jù)，都是由OS完成的！我們來畫個圖來理解：

只要理解了這一層，我們就能回答開頭的問題了：

老師們經(jīng)常給我們講的內(nèi)存分布實(shí)際上并不是真實(shí)（物理內(nèi)存）的內(nèi)存的分布，而是OS給進(jìn)程畫的一張“大餅”，就是讓進(jìn)程認(rèn)為自己一個就擁有整個內(nèi)存！說白了進(jìn)程空間就是OS欺騙進(jìn)程的一種手段！

每個進(jìn)程都有屬于自己的一張進(jìn)程地址空間和對應(yīng)的頁表！

回答了開頭的問題，我們再來解釋一下，上面代碼表現(xiàn)出的情況，父子進(jìn)程對于g_val取地址取出的地址是一樣的，但是父子進(jìn)程從g_val取出來的值卻不一樣：

首先父進(jìn)程會有自己的pcb、進(jìn)程空間地址、頁表，那么子進(jìn)程也會擁有這些東西，但是子進(jìn)程作為父進(jìn)程的兒子，它會繼承父進(jìn)程的大部分屬性，包括進(jìn)程空間地址、頁表等，畫圖表示就是：

那么根據(jù)上面圖的表示的話，父子進(jìn)程的g_val不就是同一塊空間嘛，取出來的值也應(yīng)該是一樣的，可是為什么父子進(jìn)程g_val取出來不同的值？

我們需要記得進(jìn)程之間是具有獨(dú)立性的！包括父子進(jìn)程之間也是如此！當(dāng)我們的子進(jìn)程在嘗試對g_val變量的值進(jìn)行修改時，為了不影響父進(jìn)程的正常讀取g_val，OS會啟動"寫時拷貝"技術(shù)，當(dāng)父子進(jìn)程中的某個進(jìn)程需要對父子進(jìn)程共享的同一塊空間

進(jìn)行修改時，OS會在物理內(nèi)存重新開辟一塊一摸一樣大的空間，然后再將數(shù)據(jù)拷貝過來，修改需要修改數(shù)據(jù)的進(jìn)程的頁表映射關(guān)系！此時需要修改數(shù)據(jù)的進(jìn)程就可以隨意的修改了，同時不會影響另一個進(jìn)程的數(shù)據(jù)！保持了進(jìn)程之間的獨(dú)立性；

畫個圖來表示：

這也就解釋了為什么父子進(jìn)程的g_val是同一個地址，但是卻存著不同的值！

地址相同的原因就是：g_val都處于父子進(jìn)程的進(jìn)程地址空間的同一個位置(這里說的“處于”并不是真實(shí)的存儲，而是邏輯上的存儲！)，取地址取出來的地址當(dāng)然一樣，但是由于子進(jìn)程的g_val++造成了寫實(shí)拷貝，就導(dǎo)致了父子進(jìn)程的g_val映射到不

同的物理地址空間，取出來的值自然不一樣！

寫時拷貝是發(fā)生在物理內(nèi)存，對于虛擬內(nèi)存沒有影響！ 

注意:我們平時&地址，取出來的全是虛擬地址(也就是進(jìn)程地址空間中的地址)，我們用戶沒辦法取到真實(shí)的物理地址，畢竟誰叫我們的進(jìn)程被OS欺騙了，癡癡的認(rèn)為自己享有全部內(nèi)存！

明白了上面的例子，那么我們也就能很好的明白了使用fork函數(shù)時，利用變量接受fork返回值時，明明是同一個變量(虛擬地址相同),但是再父子進(jìn)程中卻輸出了不同的值；

主要是應(yīng)為再fork函數(shù)的內(nèi)部也就是return的前一步的時候，子進(jìn)程就已經(jīng)被創(chuàng)建出來了，此時對于接受fork返回值的變量在父子進(jìn)程中也還是映射的同一塊物理空間，但是當(dāng)return的時候，就會向這個接受返回值的變量中寫入數(shù)據(jù)，此時就會觸發(fā)寫時拷貝，那么這時候父子進(jìn)程中的某個進(jìn)程就會為自己的這個接受fork返回值的變量重新映射一塊新的物理空間！這也就是fork函數(shù)能返回兩個返回值的秘密！實(shí)際上并不是真的能返回兩個返回值，只是父子進(jìn)程中的接受返回值的變量已經(jīng)是兩塊獨(dú)立的物理空間了，不在是同一塊！在虛擬內(nèi)存上他們也許是同一塊，但是，真實(shí)情況并不是?。?！ 

同時頁表也不止是會映射虛擬地址的物理地址，頁表同時也會記錄一下映射的物理地址的讀寫權(quán)限！

比如：

這也是為什么我們平常所說的代碼區(qū)的數(shù)據(jù)只能讀！不可修改的原因！

因?yàn)楫?dāng)我們進(jìn)程試圖修改代碼區(qū)的數(shù)據(jù)時，OS會拿著進(jìn)程提供的虛擬地址（代碼區(qū)的地址），然后根據(jù)頁表映射到對應(yīng)的物理內(nèi)存上去，但是OS這時候發(fā)現(xiàn)這次映射的物理空間在頁表中的權(quán)限也就只有可讀，不可修改！我們的操作屬于權(quán)限放大了，

OS會直接拒絕我們的請求！并不是這塊空間（物理內(nèi)存）本身就只是可讀的！而是我們通過一些手段從邏輯上限制了這塊空間（物理內(nèi)存）的權(quán)限！

為什么要有進(jìn)程地址空間

上面我們大概講解了什么是進(jìn)程地址空間和怎么使用進(jìn)程地址空間，但是為什么要有這個東西呢？

1、防止地址隨意訪問，保護(hù)我們進(jìn)程的安全和獨(dú)立；

假設(shè)我們不使用虛擬內(nèi)存，就直接使用物理內(nèi)存：

我們現(xiàn)在在物理內(nèi)存中加載了兩個程序，現(xiàn)在A程序是我們寫的，但是我們的代碼能力有問題，我們的A程序有bug，當(dāng)我們cpu在處理進(jìn)程A的時候，會從進(jìn)程中讀取到不屬于進(jìn)程A的地址，也就是說A進(jìn)程存在野指針問題，但是剛好這個野指針被OS分配給了進(jìn)程B使用；

要是這時候我們的進(jìn)程A有個對該野指針解引用并修改數(shù)據(jù)的操作的話，那就完了因?yàn)檫@就造成了我們明明實(shí)在運(yùn)行進(jìn)程A但是由于野指針的問題間接的將B進(jìn)程的數(shù)據(jù)修改了，如果進(jìn)程B是個銀行的賬戶信息的話，那么后果就會很嚴(yán)重！這也就破壞了進(jìn)程之間的獨(dú)立性??！同時也對進(jìn)程的安全運(yùn)行造成了威脅！但是我們使用虛擬內(nèi)存時，我們?nèi)绻斐闪嗽浇缭L問，OS會在映射該虛擬地址的時候檢測出來，從而拒絕我們的訪問！這也就讓我們無法隨意的根據(jù)地址訪問其他空間了，同時進(jìn)程的獨(dú)立性和安全性也就增加了！

2、進(jìn)程管理與內(nèi)存管理解耦合了；

再此之前我們先來談?wù)刴alloc的本質(zhì)！

請問只要是我們已使用malloc或new申請空間OS就會立即給我們嗎？

答案：顯然不是！OS作為整個計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的軟件，也是整個計(jì)算機(jī)中的管理者！它是不允許發(fā)生任何不高效和浪費(fèi)的操作的！

如果有，那么一定是OS的bug；

如果OS在我們申請的時候就把空間給我們了，那么我們能保證我們申請了就一定使用嗎？我們一定寫過這樣的代碼：在程序的開頭就先申請了一段空間，但是我們可能寫了幾十行代碼才開始使用這塊空間！那么在你從申請空間開始到你真正使用這塊空間之間，這塊空間就一直被我們占著，其他進(jìn)程也用不到，實(shí)屬有點(diǎn)“站著茅坑不拉屎”的感覺！你說一個進(jìn)程這樣！OS還能理解，但是如果每個進(jìn)程都像這樣了！這就會嚴(yán)重的造成內(nèi)存資源使用不充分、不高效；

如果在我們并未真正使用這段空間的時間段內(nèi)，OS將這塊空間拿去給需要的進(jìn)程使用，當(dāng)我們真正需要使用這塊空間的時候OS再給我們，這樣的話內(nèi)存使用率不就起來了！

那也有人會說，我們申請了立馬使用就好了嘛，對不起！在你剛好申請完這塊空間的時候CPU處理你的時間到了，該換下一個進(jìn)程被CPU處理了！在你等待下一次CPU處理的時候，你又是單獨(dú)站在這塊空間，自己不用其他進(jìn)程也用不了！又會造成內(nèi)存資源的浪費(fèi)！OS也不會允許！

為此在我們向OS申請空間的時候，OS不會立馬給我們！而是當(dāng)我們真正需要的時候才會給我們！

我們平常使用的malloc、new就是這樣的原理；malloc、new是在虛擬內(nèi)存上開辟空間（也就是邏輯上開辟的空間）返回的指針也自然是虛擬指針，雖然我們有了空間，但這些空間畢竟是邏輯上的，并不能真實(shí)的存儲數(shù)據(jù)，也就是說這些虛擬空間還沒有在頁表中建立起與物理內(nèi)存的映射關(guān)系，進(jìn)程現(xiàn)在拿到的只是一張空頭支票，具體的兌換，還是得靠OS！只有當(dāng)我們真正需要使用這塊空間的時候，OS才會將我們申請的虛擬空間映射到對應(yīng)的物理內(nèi)存！也就是為我們的虛擬空間在頁表中建立起物理地址！只有完成映射關(guān)系，我們進(jìn)程才能算是真正的擁有自己的空間（物理空間）！

同時我們進(jìn)程也不必關(guān)心，OS到底給我們映射的那塊空間，在物理內(nèi)存中是否連續(xù)等！OS可以在物理內(nèi)存的任何位置映射空間，物理內(nèi)存并不一定是連續(xù)的，但是我們在虛擬內(nèi)存上申請的空間一定是連續(xù)的！

我們作為進(jìn)程是不關(guān)心我們的數(shù)據(jù)到底存儲在物理內(nèi)存的那一塊空間的、申請的物理空間是否連續(xù)等等，在進(jìn)程看來進(jìn)程空間地址就是它的“內(nèi)存”，只要在進(jìn)程空間地址上連續(xù)就行了！至于映射到物理內(nèi)存上是什么情況，我們進(jìn)程壓根不關(guān)心！

為此我們把就把內(nèi)存管理與進(jìn)程管理分開了！內(nèi)存管理就處理內(nèi)存的事！進(jìn)程管理就專門管理進(jìn)程！兩個管理之間互不干擾！

如果沒有進(jìn)程空間地址的話，我們的進(jìn)程在申請空間的時候，OS就會立馬給它，這樣導(dǎo)致內(nèi)存資源浪費(fèi)不說！OS會需要去刻意尋找一塊物理內(nèi)存，這時候就造成進(jìn)程管理與內(nèi)存管理耦合！也就是說我們我們在進(jìn)行進(jìn)程管理的時候就必須借助內(nèi)存管理的力量！這是我們不希望看到的，我們希望進(jìn)程管理能夠單獨(dú)完成自己的事情，內(nèi)存管理也能單獨(dú)完成自己的事情，兩個進(jìn)程耦合度不要太高！保證我們內(nèi)存管理崩潰的時候不影響進(jìn)程管理！進(jìn)程管理崩潰的時候不影響內(nèi)存管理！

有了進(jìn)程地址空間，我們在申請空間的時候就只啟用進(jìn)程管理，先申請?zhí)摂M內(nèi)存，當(dāng)我們真正需要的時候，再啟動內(nèi)存管理來為我們分配物理空間！這樣的話就算內(nèi)存管理崩潰掉了也不影響進(jìn)程管理！ 

3、讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待內(nèi)存；

虛擬內(nèi)存是OS欺騙進(jìn)程的一種手段，進(jìn)程在看待進(jìn)程的時候都認(rèn)為自己擁有整塊內(nèi)存，然后開始對著“這塊內(nèi)存”開始布局自己的代碼和數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上這些代碼和數(shù)據(jù)到底存沒存儲起來，還得看OS，但是站在進(jìn)程的角度，他是認(rèn)為我們已經(jīng)布局完整個內(nèi)存了！進(jìn)程是看不到真實(shí)物理內(nèi)存的！進(jìn)程只能看到進(jìn)程地址空間！ 

4、可以充分的利用內(nèi)存資源，讓內(nèi)存的利用率變的高效起來！

比如：兩個進(jìn)程可能都需要訪問某個動態(tài)庫；如果沒有進(jìn)程地址空間的話，OS就會將這個動態(tài)庫加載內(nèi)存兩次，也就是內(nèi)存中會有兩份一模一樣的數(shù)據(jù)！這是沒必要的！但是有了進(jìn)程地址空間過后，我們可以讓兩個進(jìn)程的虛擬地址同時映射到這同一份數(shù)據(jù)！也就是說兩個進(jìn)程可以共享這份數(shù)據(jù)！這份數(shù)據(jù)也就只需要在內(nèi)存中存在一份就行了！但是在進(jìn)程看來他們都認(rèn)為這份數(shù)據(jù)是自己獨(dú)享的！

重新理解進(jìn)程地址空間

請問我們的程序在編譯完畢，但是還沒有加載進(jìn)內(nèi)存的時候，我們的程序內(nèi)部是否有地址呢？

答案是當(dāng)然有的！

我們可以來看看一段代碼的匯編文件：

我們將這段程序先編譯成可執(zhí)行程序，然后利用命令objdump -S對其進(jìn)行反匯編:

我們會發(fā)現(xiàn)，在我們的程序在未加載進(jìn)內(nèi)存的時候，編譯器就已經(jīng)確定好了各條指令的地址！這是為什么？？

答：進(jìn)程地址空間不止是欺騙進(jìn)程的，也會連同編譯器也一起欺騙！當(dāng)然這都是非常不標(biāo)準(zhǔn)的描述，嚴(yán)格意義上來說，源代碼在被編譯的時候，就已經(jīng)按照虛擬地址空間的方式對代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行了地址的編制，只不過只些代碼和數(shù)據(jù)的地址都是虛擬地址，并不是真實(shí)的物理地址！

只有當(dāng)我們的程序被加載進(jìn)內(nèi)存了，才會真正的擁有物理地址！

現(xiàn)在我們來理一理整個程序的運(yùn)行過程：

1、將我們的程序加載進(jìn)內(nèi)存（注意并不是一次性全部加載進(jìn)去，而是先加載一些比較重要的代碼和數(shù)據(jù)）；

2、OS為該程序建立pcb，來管理該進(jìn)程；

3、OS為該進(jìn)程創(chuàng)建地址空間地址和頁表；

4、cpu從特定的進(jìn)程空間地址處讀取數(shù)據(jù)！然后OS在根據(jù)cpu提供的虛擬地址，映射到對應(yīng)物理地址，獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)給cpu，cpu開始處理！如果OS在根據(jù)cpu提供虛擬地址沒有建立起對應(yīng)的物理地址時，OS會暫停cpu對于該進(jìn)程的處理，然后重新加載一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)入內(nèi)存，然后再建立映射關(guān)系，出現(xiàn)這種情況：叫做缺頁中斷！

我們畫個圖來理解：

注意：在CPU上讀取到的地址，全是進(jìn)程空間上的地址，也就是虛擬地址！CPU也不會直接去物理內(nèi)存上讀取數(shù)據(jù)！

總結(jié)

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

最新評論