【Linux】程序地址空间 -- 详解 Linux 2.6 内核进程调度队列 -- 了解

一、程序地址空间回顾

在学习 C/C++ 时，我们知道内存会被分为几个区域：栈区、堆区、全局/静态区、代码区、字符常量区等。但这仅仅是在语言层面上的理解，是远远不够的。

如下空间布局图，请问这是物理内存吗？

不是，下图是进程地址空间。

结论：

1. 进程地址空间不是物理内存。

2. 进程地址空间会在进程的整个生命周期内一直存在，直到进程退出。

这也就解释了为什么全局/静态变量的生命周期是整个程序，因为全局/静态变量是随着进程一直存在的

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二、验证地址空间的基本排布

// checkarea.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // mallocint g_unval;    // 未初始化数据区
int g_val = 10; // 已初始化数据区int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{printf("code addr        : %p\n", main); // 代码区printf("\n");const char *p = "hello";printf("read only        : %p\n", p);    // 字符常量区（只读）printf("\n");printf("global val       : %p\n", &g_val);   // 已初始化数据区printf("global uninit val: %p\n", &g_unval); // 未初始化数据区printf("\n");char *phead = (char*)malloc(1);printf("head addr        : %p\n", phead);  // 堆区（向上增长）printf("\n");printf("stack addr       : %p\n", &p);     // 栈区（向下增长）printf("stack addr       : %p\n", &phead); // 栈区printf("\n");printf("arguments addr   : %p\n", argv[0]);        // 命令行参数（第一个参数）printf("arguments addr   : %p\n", argv[argc-1]); // 命令行参数（最后一个参数）printf("\n");printf("environ addr     : %p\n", env[0]);         // 环境变量return 0;
}

运行结果：

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三、虚拟地址和物理地址

定义一个全局变量 g_val，然后创建子进程，父子进程分别打印出变量值和变量地址。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> // getpid
#include <unistd.h>    // getpid, fork
#include <stdlib.h>    // perrorint g_val = 0; // 全局变量int main()
{printf("before creating a new process, g_val = %d\n", g_val);pid_t ret = fork();if (ret == 0){// child processprintf(" child - pid: %u, g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else if (ret > 0){// father processprintf("father - pid: %u, g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{perror("fork");}  return 0;
}

运行结果：

before creating a new process, g_val = 0
father - pid: 23014, g_val: 0, &g_val: 0x601058child - pid: 23015, g_val: 0, &g_val: 0x601058

通过观察可以发现，父子进程打印的变量值和变量地址是一样的，因为创建子进程通常以父进程为模版，父子进程并没有对变量进行进行任何修改。

如果将代码稍加改动：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> // getpid
#include <unistd.h>    // getpid, fork, sleep
#include <stdlib.h>    // perrorint g_val = 0; // 全局变量int main()
{printf("before creating a new process, g_val = %d\n", g_val);pid_t ret = fork();if (ret == 0){// child processg_val = 100; // 在子进程中对变量进行修改printf(" child - pid: %u, g_val: %-3d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else if (ret > 0){// father processsleep(3); // 父进程休眠，子进程一定会先退出，让父进程读取变量值和变量地址printf("father - pid: %u, g_val: %-3d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{perror("fork");}  return 0;
}

运行结果：

before creating a new process, g_val = 0child - pid: 25270, g_val: 100, &g_val: 0x601058  # 子进程先退出
father - pid: 25269, g_val: 0  , &g_val: 0x601058  # 父进程休眠3s后退出

子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取。

可以发现：父子进程打印的变量值是不一样的，但变量地址是一样的。

父子进程代码共享，数据各自私有一份（写时拷贝）。

• 变量内容不一样，说明父子进程中的变量绝对不是同一个变量。
• 打印的变量地址值是一样的，说明绝对不是物理地址。因为在同一物理地址处，不可能读取出两个不同的值。
• 我们曾经在 C/C++ 语言或其它语言中学到或看到的地址（比如：取地址），全都是虚拟地址，而物理地址，用户是一概看不到的，由操作系统统一管理。
• OS 必须负责将虚拟地址转化成物理地址 。

注意：程序的代码和数据一定是存在物理内存上的。

因为想要运行程序就必须先将代码和数据加载到物理内存中，所以需要操作系统负责将虚拟地址转化成物理地址。

所以之前说 “ 程序的地址空间”  是不准确的，准确来说应该是 “ 进程地址空间”。

上图说明：同一个变量打印的地址相同，其实是虚拟地址相同，而内容不同，其实是被映射到了不同的物理地址处。

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四、理解地址空间

1、举例

假设有一个富豪，他有 10 亿美元的家产，而他有 3 个私生子，但这 3 个私生子彼此之间并不知道对方的存在。这个富豪对他的每个私生子都说过同一句话：“儿子，这 10 亿的家产未来都是你的”。站在每个私生子的视角来看，每个私生子都认为自己可以拥有 10 亿美元。

如果每个私生子都找父亲一次性要 10 个亿，那么这个富豪是拿不出来的。但实际上这是不可能的，每个私生子找父亲要钱，一般只会几千几万这样一点点去要，那么这个富豪只要有，就一定会给。而如果私生子要的钱太多，富豪不给，私生子也只会认为是父亲不想给。换而言之，这个富豪给每个私生子在大脑中建立一个虚拟的概念：都认为自己拥有 10 亿美元。

类比到计算机中：

• 富豪 —— 操作系统
• 私生子 —— 进程
• 富豪给私生子画的 10 亿家产的饼 —— 进程的地址空间

通过上述例子，可以得出结论：

• 操作系统默认会给每个进程构建一个地址空间的概念（比如在 32 位下，把物理内存资源抽象成了从 0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF 共 4G 的一个线性的虚拟地址空间）
• 假设系统中有 10 个进程，每个进程都会认为自己有 4G 的物理内存资源。（这里可以理解成 OS 在画大饼）

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2、认识地址空间

• 在 Linux 中，地址空间其实是内核中的一种数据结构。
• 在 Linux 中，OS 除了会为每个进程创建对应的 PCB（即 struct task_struct 结构体），还会创建对应的进程地址空间，即内核中的 struct mm_struct 结构体。

空间的本质无非就是多个区域（栈、堆…）的集合。

那么在 struct mm_struct 结构体中，OS 是如何表述（划分）这些区域的呢？

定义 start 和 end 变量来表示每个区域起始和结束的虚拟地址。然后通过设置这些 start 和 end 的值，对抽象出的这个线性的虚拟地址空间（在 32 位下，是从 0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF 共 4G）进行区域划分。

struct mm_struct {// ...unsigned long code_start;   // 代码区起始虚拟地址，比如 0x10000000hunsigned long code_end;     // 代码区结束虚拟地址，比如 0x00001111hunsigned long init_start;   // 已初始化数据区unsigned long init_end;unsigned long uninit_start; // 未初始化数据区unsigned long uninit_end;unsigned long heap_start;   // 堆区unsigned long heap_end;// ...
};

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3、什么是地址空间

进程地址空间：

地址空间究竟是什么？

地址空间的本质：操作系统让进程看待物理内存的方式，这是抽象出来的一个概念。地址空间是内核中的一种数据结构，即 struct mm_struct 结构体。由 OS 给每个进程创建，这样每个进程都认为自己独占系统内存资源。

划分区域的本质：把线性的地址空间划分成了一个个的区域，通过设置结构体内的 start 和 end 的值来表示区域的起始和结束。（比如栈区和堆区的增长）

为什么要进行区域划分呢？

1. 可以通过 [start, end] 进行初步判断访问某个虚拟地址时，是否越界访问了。
2. 因为可执行程序在磁盘中是被划分成一个个的区域存储起来的，所以进程的地址空间才有了区域划分这样的概念，方便进程找到代码和数据。

• 虚拟地址的本质：每个区域 [start, end] 之间的各个地址就是虚拟地址，之间的虚拟地址是连续的。

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五、地址空间和物理内存之间的关系

虚拟地址和物理地址之间是通过页表来完成映射的。

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六、存在地址空间的原因

直接让进程去访问物理内存不行吗？

• 早期，操作系统是没有进程地址空间的，这就导致物理内存暴露，恶意程序可以直接通过物理地址来进行内存数据的读取，甚至篡改。
• 后来，随着操作系统的发展迭代，有了进程地址空间（虚拟地址），由操作系统完成虚拟地址和物理地址之间的转化。

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为什么还要存在地址空间呢？

（1）有效的保护物理内存。

因为地址空间和页表是 OS 创建并维护的，也就意味着凡是想使用地址空间和页表进行映射，也就一定要在 OS 的监督之下来进行访问，也保护了物理内存中的所有合法数据，包括各个进程，以及内核的相关有效数据。

在进程内不能非法访问或映射，因为 OS 会进行合法性检测，如果非法则终止进程。

• 通过划分区域中虚拟地址的起始和结束（即 start 和 end 的值）来判断当前访问的地址是否合法。

比如：如果用户想在某个虚拟地址处写入，但检测到该虚拟地址在字符常量区的 start 到 end 之间，而字符常量区是只读的，说明非法越界访问了，OS 会直接终止进程。

char *str = "hello world";
*str = 'H'; // error

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• 通过页表中的权限属性，来判断当前访问的地址是否合法。页表完成了虚拟地址到物理地址之间的映射，而页表中除了有基本的映射关系之外，还可以进行读写等权限相关的管理。

比如：如果用户想在某个虚拟地址处写入，通过页表进行虚拟地址到物理地址的转换时，发现该地址处只有读权限，说明非法访问了，页表拒绝转换，OS 直接终止进程。

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（2）将内存管理模块和进程管理模块在系统层面上进行解耦合。 

操作系统的核心功能：内存管理、进程管理、文件管理、驱动管理。

• 没有进程地址空间时，内存管理必须得知道所有的进程的生命状态（创建、退出等）才能为每个进程分配和释放相关内存资源。所以内存管理模块和进程管理模块是强耦合的。
• 而现在有了进程地址空间，内存管理只需要知道哪些内存区域（page）是被页表映射的（已使用），哪些是没有被页表映射的（未使用），不需要知道每个进程的生命状态。当进程管理想要申请内存资源时，让内存管理通过页表建立映射即可；想要释放内存资源时，通过页表取消映射即可。解耦的本质也就是减少模块与模块之间的关联性，所以就是将内存管理模块和进程管理模块进行解耦了。

在物理内存中，是否可以对未来的数据进行任意位置的加载？

可以。

物理内存的分配可以和进程的管理做到没有关系。

在 C/C++ 语言上 new/malloc 出一块新的空间时，本质是在哪里申请空间的呢？

 虚拟地址空间。

如果申请了空间，但不立马使用这块空间， 是不是对空间造成了浪费呢？

是的。

所以本质上，（因为有地址空间的存在，所以上层申请空间，缺页中断：其实是在地址空间上申请的，物理内存可以甚至一个字节都不给。而当我们真正进行对物理地址空间访问时，才执行内存的相关管理算法来申请内存，构建页表映射关系）然后再进行内存的访问。

括号内的部分完全由 OS 自动完成，用户，包括进程完全 0 感知。

• 在分配内存时采用延迟分配的策略来提高整机的效率。（几乎内存的有效使用率是 100%）

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（3）通过页表映射到不同的有序区域来实现进程的独立性。

• 在进程的视角，所有的内存分别都可以是有序的。
• 让每个进程以同样的方式来看待代码和数据。（这样对于进程的设计是非常好的）

可执行程序，在磁盘中是被划分成一个个的区域存储起来的（比如代码 .txt、已初始化数据 .data、未初始化数据 .bss 等等）。

因为可执行程序形成时，有一个链接的过程，会把用户代码和库的代码合并在一起，把用户数据和库的数据合并在一起。否则可执行程序的代码和数据如果是混着存放在一起的，会导致链接过程变得很复杂。所以进程的地址空间才有了区域划分这样的概念，方便进程找到代码和数据。

分析：

如图，代码被零散的加载到了内存的各个位置。如果直接让进程去找到代码是非常困难的，尤其是找到代码的起始和结束位置。所以我们在进程的地址空间中划分出一个个区域，再通过页表把内存中的各个位置的代码给整合到一起，使代码的物理地址变成线性的虚拟地址了。然后进程通过其对应地址空间中的代码区（区域中虚拟地址是连续的）可以很方便的找到代码。同时 CPU 也方便执行代码（虚拟地址是连续的，这样 PC 指针才能进行加 1 的操作，得到下一条指今的地址，CPU 才能从上到下顺序执行指令）。

• 地址空间 + 页表的存在可以将内存分布有序化。
• 结合（2），进程要访问物理内存中的数据和代码，可能目前并没有在物理内存中。同样的，也可以让不同的进程映射到不同的物理内存，便很容易做到进程独立性的实现。
• 进程的独立性可以通过进程空间 + 页表的方式实现。

好处：

• 不用在物理内存中找一块连续的区域。
• 站在进程的角度，所有进程的代码（二进制指令）存放的区域，虚拟地址是连续的，可以被顺序执行。（即使物理内存上有可能不连续）

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七、重新理解什么是挂起

进程和程序有什么区别呢？

• 加载的本质就是创建进程。

那么是否必须立刻将所有程序的代码和数据加载到内存中，并创建内核数据结构建立映射关系？

不是。

如果在最极端的情况下，只有内核结构被创建出来了（新建状态）。当真正被调度/执行代码时，才把外设加载内存里，然后再执行代码。

• 理论上，可以实现对程序的分批加载。

如果物理内存只有 4G，有一个游戏 16G，能否运行？

可以运行。

CPU 无论运行多大的程序，都需要从头到尾执行每一行指令。即使物理内存有 32G，也不会一次性把 16G 的程序加载进来（因为内存资源还需要分配给其它进程），而是采用延时加载。比如先加载 200M 进来，执行完了再覆盖式的加载 200M 进来，然后再执行。所以如果物理内存比较小，用户可能会感到游戏卡顿。

• 加载的本质就是换入的过程。

既然可以分批加载，那可以分批换出吗？

可以。

甚至这个进程短时间不会再被执行，比如挂起 / 阻塞。

• 也就相当于其对应的代码和数据占着空间却不创造价值，所以 OS 就可以将它换出，一旦被换出，那么此时这个进程就叫被挂起。

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八、Linux2.6 内核进程调度队列

1、Linux2.6 内核中进程队列的数据结构

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2、一个 CPU 拥有一个 runqueue

如果有多个 CPU 就要考虑进程个数的负载均衡问题。

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3、优先级

• 普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想 nice 值的取值范围，可与之对应）
• 实时优先级：0～99（不关心）

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4、活动队列

• 时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列。
• nr_active：总共有多少个运行状态的进程。
• queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照 FIFO 规则进行排队调度，所以数组下标就是优先级。
• 从该结构中，选择一个最合适的进程，过程怎么回事的呢？

1. 从 0 下表开始遍历 queue[140]。
2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列。
3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成。
4. 遍历 queue[140] 时间复杂度是常数，但还是太低效了。

• bitmap[5]：一共 140 个优先级，140 个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用 5*32 个比特位表示队列是否为空，这样便可以大大提高查找效率。

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5、过期队列

• 过期队列和活动队列结构一模一样。
• 过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程。
• 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算。

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6、active 指针和 expired 指针

• active 指针永远指向活动队列。
• expired 指针永远指向过期队列。
• 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。
• 但在合适的时候，只要能够交换 active 指针和 expired 指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程。

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7、总结

在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增加，我们称之为进程调度 O(1) 算法。

【Linux】Linux 的进程优先级 NI 和 PR-CSDN博客