1. 前言
由于此Linux系列文章偏向于做
顺序学习手册,所以有些内容在
一篇文章中可能不连贯,敬请谅解!
请先阅读下面的文章的最后一段 了解打印出来的地址并不是物理地址 这一事实逻辑:
本章重点:
本篇文章着重讲解进程中的虚拟地址
和物理地址的关系,了解虚拟地址的
内核本质是什么,以及页表和物理地址
的映射逻辑和写时拷贝的具体体现,
期间我们将回答三个问题:
什么是地址空间?地址空间是如何设计的?为什么要有地址空间?
2. 什么是程序地址空间?
在理解地址空间前,我们知道一个事实:
平时看见的地址并不是真实的地址
又叫虚拟地址,真实的地址空间
被称为物理地址(物理内存)
我想通过讲一个故事来帮助理解
到底什么是程序地址空间:
有一个富豪,它有10亿资产,由于
年轻时比较浪,所以他有四个私生子
这四个私生子并不知道彼此的存在,
私生子A是个医生,私生子B是个企业家
私生子C是个街头混混,私生子D是个学生
富豪分别对小A,B,C,D说:
(1),小A啊,你要是努力做个医生,以后我的
10亿美金都是你的了
(2),小B啊,要是你把你的公司运作的很好
以后我的10亿美金就是你的了
(3),小C啊…小D啊…
故事还没结束,有一天,A说:老爸
给我10万美金,我要买医疗器械,
富豪想了想觉得是正事,于是给了
小A十万美金,小C又说:老爸,给我
两千美金吧,我吃不起饭了,富豪一听
就把钱打过去了,所以我们知道,这四个
人都可以用10亿美金以内的钱,但是
永远用不到10亿美金!
现在列出人物和地址的对应关系:
- 富豪对应操作系统
- 10亿美金对应物理地址
- 私生子对应每一个进程
- 富豪画的饼对应地址空间
所以可以得出结论,地址空间可以理解为操作系统给进程画的饼它并不是真实的物理地址!
3. 程序地址空间是如何设计的?
既然富豪给每一个私生子都画了饼
所以对应每一个进程都又一个自己的
程序地址空间,这是第一个结论
然而,OS要管理这些空间,一定 要先组织,再管理!所以地址空间 是一个struct结构,**这是第二个结论**
再来看看程序地址空间的图:
程序地址空间无非就是各个
区域的结合,然而各个区域的划分
无非就是两个整数begin和end
一个在区域的开头,一个在区域的结尾这是第三个结论! 如图:
根据上面的推论,我们可以得出结论:
地址空间这个北河数据结构中(struct)
至少包含了各个区域的划分,它的概念
结构如下:
struct addr_room { int code_start;//代码区起始 int code_end;//代码区结束 int init_start;//初始化区起始 int init_end;//初始化区结束 int heap_start;//堆区起始 int heap_end;//堆区结束 ...... 其他属性 };
所谓的区域范围变化实际上就是对start和end做加减!
4. 虚拟地址和物理地址的关联
当我们理解了什么是虚拟地址后,
现在再谈虚拟地址和物理地址的关系:
本质是一种映射关系!
现代计算机使用以下方法解决问题:
OS为每一个进程配对一个虚拟地址
空间和一张页表,要访问物理地址时,
需要先在页表进行映射,若访问的是
非法地址,则会在页表层阻止你的访问!
所以为什么一个地址会有两个值?
现在我们就能回答这个问题了:
创建子进程时,子进程的数据和
代码和父进程共享,也就是和父进程
一样,所以此时子进程的页表和程序
地址空间和父进程一样!当子进程尝试
修改变量的值时,操作系统会重新为子进程
开辟一份物理内存,并修改子进程页表的
映射关系,此时映射到物理内存的不同
区域,但是虚拟地址是一样的!
这个过程也叫写时拷贝
5. 页表的结构以及作用
修改常量字符串时编译器会报错,
是在哪个阶段报的错呢?
const char* p = "abcd"; *p = "123";
其实页表不仅仅只有映射关系
表这一个结构,它还附带了物理
内存中每一个区域的读写权限:
很明显,常量字符串对应的物理地址
区域的权限是只可读,所以当虚拟内存
去映射物理内存时,在页表层面发现你的
访问是权限不允许的,就会在页表层驳回你的请求,也就是会报错!
所以页表可以起到安全评估
保护物理内存的作用!
这是页表的第一个作用
页表的第二个作用:
将无序变有序
虚拟地址在映射物理内存时
是不是随意映射的?就是说映射
到物理内存后的顺序是全乱的?
结论是当然不是!在页表层映射时
会将不同的数据类型进行划分
使得映射到物理内存后是比较
有序的一种状态!
6. 为什么要存在地址空间?
通过以下三个方面来说明
地址空间的作用:
有效的保护了物理内存
凡是非法的访问或者映射,os都
会识别到,并且终止你这个进程!
地址空间和页表都由OS创建并
进行管理,一切访问都要在OS的监管下!
使OS的耦合度更低
因为有地址空间和页表的存在,
物理内存可以不关心未来数据的
类型,可以直接对它进行加载,这样
物理内存的分配就可以和进程的管理
分开来,做到它们并没有任何关系,
所以内存管理模块和进程管理模块
就完成了解耦合的操作!
保证进程的独立性
因为有地址空间的存在,每一个进程
都认为自己拥有4GB的空间,并且各个
区域是有序的,进而可以通过页表映射
到不同的区域,来实现进程的独立性,
每一个进程不知道也不需要知道其他
进程的存在!!!
7. 总结以及拓展
关于Linux进程基础的内容就讲到
这里,下一章是全新的章节–进程控制
讲了这么久的理论了,怎么控制一个进程?
也就是创建,回收一个进程?有了前面
的基础铺垫后,后面的学习内容也就容易了
拓展阅读:
🔎 下期预告:Linux进程控制 🔍
