进程地址空间，零基础最最最详解

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一、什么是地址空间

1、概念

2、主要组成部分

3、特点和作用

（1）虚拟化：

（2）隔离性：

（3）动态分配：

（4）管理和保护：

二、如何理解地址空间？（建议全文阅读）

1、为什么要有地址空间

（1）理由一

（2）理由二

（3）理由三

2、如何理解页表？

3、如何理解虚拟空间

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一、什么是地址空间

1、概念

进程地址空间是指：操作系统为每个正在运行的进程分配的虚拟内存空间。每个进程都有自己的独立地址空间，使得每个进程在运行时都感觉自己拥有整个计算机的内存和资源。

2、主要组成部分

组成部分	描述	功能
代码区（Text Segment）	存放执行代码的机器语言指令。	执行程序的实际指令，通常是只读的。
数据区（Data Segment）	存放已初始化的全局变量和静态变量。	存储全局变量和静态变量的数据。
堆区（Heap Segment）	用于动态分配内存，大小可动态调整。	通过 malloc、calloc 等函数分配的动态内存。
栈区（Stack Segment）	存放函数的参数值、局部变量值、返回地址等。	支持函数调用、参数传递及局部变量的存储。
内存映射区域（Memory-mapped Segment）	映射文件或设备，如共享库、动态链接库等。	将文件或设备映射到进程的地址空间，使得它们可以像内存一样访问。
内核空间（Kernel Space）	保留给操作系统及其内核模块使用的地址空间。	只能通过系统调用访问，用于操作系统内部功能和服务。

3、特点和作用

（1）虚拟化：

每个进程认为自己拥有整个计算机的内存空间，实际上操作系统通过虚拟内存管理机制将其映射到物理内存或者磁盘上。（这是因为一般情况下，一个进程是很难占用掉整个物理内存）

（2）隔离性：

不同进程的地址空间是独立的，这意味着一个进程无法直接访问另一个进程的地址空间，从而增强了系统的安全性和稳定性。（确保进程的独立性）

（3）动态分配：

进程可以动态地在堆区分配和释放内存，使得程序可以根据需要动态调整内存使用，提高了内存的利用率。（具体的表现为写时拷贝）

（4）管理和保护：

操作系统负责管理和保护进程的地址空间，确保各个进程之间不会相互干扰或者篡改对方的数据。（具体的表现如写时拷贝）

二、如何理解地址空间？（建议全文阅读）

程序地址不是物理地址，而是虚拟地址

每一个进程都有自己的虚拟地址空间，
同时，操作系统会创建一个页表，
每一个进程都有自己独立的页表
页表的作用是：虚拟地址映射物理地址
进程上层使用的地址，都是虚拟地址，而不是真正的物理地址

那么多的进程，即有很多对应的地址空间
地址空间的本质就是内核中的一个结构体对象

先描述，在组织
子进程会把父进程的很多内核数据结构拷贝一份继承
也就是说页表也会被继承
那么，子进程和父进程的虚拟地址是同一个页表
所以，虚拟地址是一样，指向的物理地址也是一样的
所以，数据也是一样的
但是，当子进程要修改数据时
为了确保进程的独立性，这里表现为子进程的修改不影响父进程的运行
因此，为了避免子进程修改的数据之前
操作系统会自动新开辟一个物理内存空间，并且更新子进程的虚拟地址映射
在新开辟的映射空间中去修改子进程的数据值
此时，子进程的虚拟地址的映射就变成了新开辟的物理空间
所以，这样就会导致这样一个现象：
父进程和子进程数据的虚拟地址显示是一样的
但是他们的物理空间实际存储的数据却是不同的（这也就是为什么创建子进程时，同一个pid，返回值却不一样的原因）
这个现象叫做，写时拷贝
也就是说，如果父进程和子进程都没有写入数据，那么数据就是共享的
那么，为什么要采取这样的策略呢？为什么不直接各自用一份数据呢？
例如子进程创建的时候，直接拷贝一份父进程的数据给子进程
各自用各自的，这样就不用这么麻烦了
原因是，父进程的数据很多，且一般来说，并不是父进程和子进程的所有数据都不一样
很大程度上，很多数据实际上是一样的，因此没有必要再开一份，直接共享即可
需要修改区别的，再去修改，节省空间，按需申请
本质是通过调整修改的时间顺序，达到节省空间的目的

地址空间是操作系统给进程分配的一个空间大小
地址空间本质是内核的一个叫做mm_struct结构体对象！内部很多的属性都是表示start，end，表示划分区域范围
一个一个的区域划分，都是结构体内部的划分
例如代码区的划分：usigned long start_data, end_data

1、为什么要有地址空间

（1）理由一

一个进程的各个数据部分，在物理内存中实际是乱序的
这就很混乱
但是，有了地址空间（mm_struct）之后：
代码就在代码段，数据就在数据段
该在堆区的在堆区，该在栈区的在栈区
同时，这些连续的虚拟地址再经过的页表映射到物理内存
这样，让进程数据无序变有序，让进程以统一的视角看待物理内存
以及各个运行区域

（2）理由二

进程管理模块和内存管理模块解耦
什么意思？
当进程申请一个内存空间时，有可能并不一定立即使用
如果不立即使用，但是我却给你开辟了这样一个空间
那个，在该进程使用这个内存空间之前，这一个内存空间相当于被占用浪费了
如果，在该进程申请一个内存空间，但是不是立即使用时，
我们只给虚拟地址和页表的的虚拟地址部分，而并不是真正的分配物理内存
这样，在进程的视角看，他已经申请了空间
而在实际的物理内存看，我并没有开辟这个空间，可以继续被利用
如此，这样的结构设计，就达到了按需即时分配内存空间的目的
大大的提高了内存的利用率

（3）理由三

拦截非法请求
进程和实际的物理内存中间，对内存的申请，多了一层地址空间
当进程的代码 / 数据访问越界时，操作系统在地址空间层就可以识别
这样，就可以对非法请求进行拦截，而不是直接到物理内存中申请 / 访问非法的地址
这样做的目的，是对物理内存进行保护

2、如何理解页表？

页表不仅仅有虚拟地址和物理地址的映射，还有对应的权限
当一个进程要对一个数据修改时，
本质是通过虚拟地址找到对应物理内存的数据再修改
当你要修改某一个数据
但是该数据在页表的所记录的权限只有wx，没有读权限，仅仅允许只读
那么就会修改动作就会被拦截，直接报错，程序崩溃
同时，修改这个动作也就不会在物理内存实现
这也就是为什么，一个程序崩溃时，并不会影响其他进程
因为进程的运行是在物理内存中进行的
崩溃的程序在虚拟内存页表层就已经被拦截，根本就不会被写到进程中
进而也就不会影响其他进程的运行
所以说，如果一个进程可以在内存中加载运行，就证明该进程是合法的

3、如何理解虚拟空间

虚拟空间（Virtual Memory）使得每个进程都拥有独立的、连续的内存空间，称为虚拟地址空间。这种独立的空间使得每个进程都认为自己在独占系统的所有内存，而实际上，物理内存是被多个进程共享的。

对虚拟空间的理解，需要认识和理解一些关键概念，建立起一个整体的初步认识和理解。

概念	描述
虚拟地址空间	每个进程看到的内存空间，是虚拟的、连续的地址范围。在32位系统中通常是0x00000000到0xFFFFFFFF（4GB空间）。
物理内存	系统中实际存在的内存，由硬件管理。物理内存大小有限，虚拟地址空间可以比物理内存大得多。
地址映射	虚拟地址空间中的地址通过地址映射机制映射到物理内存中的实际地址。这种映射关系由内存管理单元（MMU）负责管理和维护。
分页机制	虚拟地址空间和物理内存之间的映射通常通过分页机制实现。操作系统将虚拟地址空间分成页面，大小通常为4KB或更大，并映射到物理内存的页面帧上。
虚拟内存	操作系统对虚拟地址空间的抽象，允许进程访问未分配的物理内存部分，通过将不常用的内存页换出到磁盘上的交换空间释放物理内存。
内存保护和隔离	虚拟空间使得每个进程相互隔离，一个进程无法直接访问另一个进程的虚拟地址空间，通过地址映射和访问权限机制实现。
更高的内存利用率	多个进程可以共享物理内存，不需要各自拥有独立的物理内存空间。
简化编程模型	程序员可以使用连续的内存地址编写程序，而不必关心物理内存的具体分布和限制。
更好的安全性	虚拟空间提供内存隔离和保护，防止进程越界访问其他进程或操作系统内核的内存空间。