【Linux】进程地址空间的理解

一，什么是程序地址空间

在我们写程序时，都会有这样下面的内存结构，来存放变量和代码等数据。

一个进程要执行，必须要有其对应的这样的内存结构。一个系统中有很多进程要执行，则要对应有很多进程空间。但是实际上的物理内存就那么大，无法给每一个进程都分配这么多的空间。则操作系统给每一个进程都划分了一个这样的虚拟的内存结构，这个虚拟的内存结构就叫做进程地址空间。

二，页表和虚拟地址空间

以下面例子为例讲解。在Linux下，我们编写一个C语言程序，创建一个子进程，修改子进程中和父进程中共有的值，查看其分别在父进程和子进程中这个值的大小和地址。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ g_val=100;printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{ //parentsleep(3);printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}

结果：
child[3046]: 100 : 0x80497e8
parent[3045]: 0 : 0x80497e8

这里看到 g_val 在父进程和子进程中的地址一样，但是内容不一样，则一定说明 g_val 在父进程和子进程的中的物理内存不一样，但是这里显示的地址却是一样的。这说明在这里的地址是虚拟地址而不是物理地址。

知道了虚拟地址，现在来讲解一下虚拟地址和物理地址之间的关系：

虚拟地址和物理地址之间是由页表来构成的一种映射关系

由上面的讲解可知，操作系统给每个进程分配了一个进程地址空间，这个进程地址空间是一个虚拟地址空间，通过页表来映射到物理地址上。

由上图可看到，上述例子中子进程和父进程中 g_val 的地址一样，但值不一样。本质是因为打印的地址是虚拟地址，当子进程对 g_val 的值做修改时，在物理地址层面，会开辟一块新空间存放 g_val 的值，再修改进程中 g_val 的映射关系，使其指向新开辟的空间。

三，为什么要有进程地址空间

所以为什么要有进程地址空间并且设计这样的页表映射的结构呢？

首先，页表的出现让虚拟地址和物理地址之间产生一种映射关系，但是不只是映射关系，还对这个物理地址进行了权限的保护。

当对常量区进行映射时，页表结构中会检测权限，当对这段空间做修改时，检测到只读，则拒绝对这段区间进行修改

其次，页表的出现对虚拟地址和物理地址之间进行了解耦。

页表让物理内存的管理和进程的管理进行了分离，在进程层面，数据的存储看起来有其对应的区域，但在物理层面，数据按照一种有序的方式存放进而提高物理空间的利用率

进程地址空间的作用有三个：

1. 进程地址空间是为了保护物理内存
当出现非法访问时，进程地址空间和页表会识别并且拒绝访问，从而保护了物理空间的完整性
2. 降低操作系统的耦合度
和上述一致，页表和进程地址空间会让对进程的管理和对物理空间的管理分离，进而降低了操作系统的耦合度，提高了整体效率
3. 保证每个进程的独立性
操作系统为每个进程都分配了一个这样的虚拟的进程地址空间，让每个进程都可以对其数据进行统一管理，保证其独立性，再由页表映射到物理地址上，又不会干扰物理地址的存放