【Linux课程学习】： 进程地址空间，小故事理解虚拟地址，野指针

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Linux学习笔记：
 https://blog.csdn.net/djdjiejsn/category_12669243.html

前言：

之前听过一遍课，但是如今还对它很模糊，不知道它到底是如何进行的。所以今天重新听课，重新学习。进程地址空间话题很大，这次也只能讲很少一部分，能对进程地址空间的宏观了解就OK。

目录

一.小实验（不是物理地址，而是虚拟地址/线性地址）

1.1实现目的和预想：

1.2修改gval的值继续进行实验：

 二.虚拟地址是什么？

2.1小故事（画饼）：

2.2理解虚拟地址空间：

2.3mm_struct结构体

2.4内存编址

 三.页表

3.1代码共享：

3.2页表和物理地址的映射

3.3页表中的标志位

3.3.1rwx权限：

3.3.2isexit标记位：

四.为什么要有虚拟地址+页表

4.1安全和隐私保护：

4.2进程管理和文件管理解耦合：

4.3有效利用内存资源：

4.4让进程以统一的视角看待物理内存：

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一.小实验（不是物理地址，而是虚拟地址/线性地址）

Linux大哥，你别骗我，我之前一直给我的时物理地址，没想到你给我一个虚拟的地址，我真的看透你了。线性

路上的一个下BUG

刚刚在进行运行代码的时候，运行结果没有输出，一直卡在那，我以为是出现什么错误了。结果是我没有换行，因为我创建了子进程，这时候的显示器文件缓冲区采取的刷新模式可能是满刷新，当缓冲区满的时候，才会进行刷新。所以一开始在显示器上没有看见东西。后面啪的一下出现很多内容。大概就是这个原因。啊哈哈哈哈哈。下面我又无知了，请原谅我。

1.1实现目的和预想：

因为之前不是说父进程和子进程的代码共享，数据会独立一份吗？现在我们创建一个子进程，打印同一个值的地址是不是一样的，按理来说，他们地址是不一样的，因为数据相互独立。但是真实的结果是如何呢？

看上面的图，我们居然发现他们的地址是一样，啊？这好像不对啊，但好像又可以理解。我们之前学C++的时候，比如字符串string的拷贝的时候，不会立马进行拷贝，不会立即复制字符串的内容，而是增加一个引用计数。这里好像也可以这样理解，如果你不对数据进行修改，那么我还是用原来的呗，你要修改的时候，我再给你申请空间，进行赋值，再让你修改呗！那么我们下面就把gval的值修改一下，看是不是地址会不一样。

好像结果不是这样的，不是要写时拷贝，是因为（Linux大哥）C语言给了我们一个虚拟的地址。

1.2修改gval的值继续进行实验：

我们每次循环让子进程的gval发生变化，他们的地址还是一样的。为什么会这样啊，这就真的不能理解的啊？上面我还能去想想可能是写时拷贝的原因，在这里写时拷贝也关不上啊！

#include<stdio.h>    
#include<sys/types.h>    
#include<unistd.h>    int gval=100;    int main()    
{    printf("我是一个进程，pid:%d , ppid:%d\n",getpid(),getppid());    pid_t id=fork();    if(id==0)    {    while(1)    {    printf("子进程,pid:%d,ppid:%d,gval:%d,&gval:%p\n",getpid(),getppid(),gval,&gval);    sleep(1);    }    }    else    {    while(1)    {    printf("父进程,pid:%d,ppid:%d,gval:%d,&gval:%p\n",getpid(),getppid(),gval,&gval);sleep(1);                                                                                                                                                                                              }    }return 0;    } 

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 二.虚拟地址是什么？

这不是程序地址空间哈，这是进程地址空间。为了引入虚拟地址空间，必须把老师说的小故事在这里重复一遍。

2.1小故事（画饼）：

在美国有一个大富翁，他很有钱，手上有10亿美金，并且他有很多孩子。有一天他的孩子A跑过来对他说：我想要100美元。大富翁听到以后，觉得没啥，我都有10亿美金了，这100美元能算啥，就把这100美元给了A孩子。但是还没道A孩子的手上，B孩子就冲过来把大富翁手上的100美元给抢走了，B孩子说这100美元是我先看到的，应该是我的。B孩子还没说完，C孩子就抢着说：B孩子都拿了100美元，那我要200美元。A孩子听到以后觉得很不公平，为什么最开始是我先找父亲要的钱，你们反倒比我要的多，为此A孩子说，那我最起码也要200美元。大富翁听到以后，非常头疼，不知道该怎么办？

在美国的另一边，也有一个大富翁，他很有钱，也有10亿美元，也有很多的孩子，但是这些孩子都是他的私生子，他们不知道彼此的存在，都以为大富翁只有我这一个孩子。有一天，大富翁跑到私生子A住的地方去看望A孩子，然后发现A孩子在一家上市公司上班，每天工作非常辛苦。大富翁对孩子A说，好样的！好好干，以后我10亿美金全是你的，孩子A听到以后，非常的开心，认为只要好好干，以后父亲的10亿美金全是我的。

后面大富翁又跑到B私生子那里，B孩子还在读大学，他是他们学习篮球队的主力 ，为了以后能打进NBA，每天训练也是非常的辛苦。大富翁看到以后，对B孩子说：好好打球，只要你好好打球，以后我的10亿美金也是你的。孩子B听到以后，也是非常的开心，觉得马上就能继承父亲的10亿美金了。

大富翁看望完B孩子以后，就去看望私生子C了，C孩子是女儿，现在在读高中，但是跳舞很厉害，她的梦想是去当模特。大富翁看到C孩子以后，也对C孩子说，只要你好好跳，以后我的10亿美金全部都是你的，此时C孩子很开心……当然，大富翁还有其他很多的私生子。

大富翁对每个私生子都是这么说的，每个私生子都以为自己可以拿到父亲的10亿美金，却不知道他们根本拿不到，只能拿到一部分。

以后每个孩子在找父亲要钱的时候，都会有一个潜台词，就是父亲有10亿，而且以后都是我的。

饼画多了，也需要管理。先描述，再组织。这个大富翁就是操作系统！这里的大饼就是程序地址空间！

2.2理解虚拟地址空间：

假如内存大小是4GB，一个进程过来申请了500MB，此时这个进程认为还有3.5GB可以用。但是另外一个进程也申请了500MB，这个进程也觉得它还有3.5GB可以申请，其实此时内存的真实大小只有3GB了。

2.3mm_struct结构体

理解区域划分的本质：

交代区域的开始和结束，就能进行区域划分。

mm_struct中就有每个地址区域的地址空间。有起始位置和结束位置。

PCB中，有一个mm_struct结果体指针，指向一个mm_struct结构体。

mm_struct是由谁来初始化的?信息来源是可执行程序，因为可执行程序被编译好，就有需要多大的空间等信息。可以不加载可执行程序的内容，但是这些信息必须被加载，这些属于PCB的范畴。

栈区是运行的时候，操作系统自己创建的，由操作系统决定。

物理内存延迟开辟，需要的时候，先给你虚拟地址，没有对应的物理地址，只有当真正使用的时候，才会填入物理地址形成映射。

2.4内存编址

最小内存寻址是计算机能访问的最小内存单元。内存是按字节来划分的，32位系统中地址总线通常是32了，能最大表示的地址范围是2的32次方的存储单位，2的10次方是1024，2的32次方就表示4GB大小。

用unsigned long就能表示地址的所以范围，这就是内存编码。

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 三.页表

3.1代码共享：

当父进程创建子进程的时候，子进程会拿父进程的PCB进行初始化，mm_struct也相同，页表也相同。页表中的代码区指向同样的物理地址，所以形成了代码共享。父子映射道同样的内存代码区域。所以子进程也是看到fork以上的代码的，只是不会执行它。

3.2页表和物理地址的映射

页表也被子进程继承，所以最开始的虚拟地址和物理地址都是和父进程一样的，用的还是父进程的代码和数据。当时当子进程的数据修改的时候，在此之前，操作系统OS会先申请空间给子进程用，然后修改子进程中的页表物理地址，虚拟地址不变。所以父子进程的有不同的页表，向上返回的虚拟地址是一样的，但是通过不同的页表能映射到不同的物理空间上去。所以就能解释上面小实验了。

在C语言中，变量名就相当于地址。

3.3页表中的标志位

页表中会有很多的标记位，下面就来谈谈rwx标记位和isexit标记位。

3.3.1rwx权限：

rwx标记位可以设置权限，比如代码区，只能是只读的，当如果要写，页表不让你从虚拟地址映射到真实的物理地址了。还有可能直接杀死进程。在代码层面，如果去修改一个只读区，编译器是识别不出来的，这是在运行时，才会去发生映射，才会报错。所以为了让编译器能检查，就引入了const。

3.3.2isexit标记位：

1.分批加载。2.挂起等操作。

表示在页表中这个映射关系是否存在，是都能在内存中找到。因为有种种原因，数据不会一直占着内存，会被放回到磁盘中，内存的大小是有限的。所以这个标记就是说是否在内存中存在。当不存在的时候，如果要进行操作，就会重新加载。所以才能跑大型程序。

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四.为什么要有虚拟地址+页表

野指针就是有一个虚拟地址，在进行映射的时候，发现找不到真实的物理地址，或者权限不对，就会发生错误。操作系统就可以控制该进程终止。

可执行程序的代码和数据可以加载到物理内存的任何地址处。有页表进行映射。

4.1安全和隐私保护：

虚拟地址的设定，可以避免程序直接访问物理内存。必须通过页表的映射才能知道物理内存。页表是操作系统来管理的。防止错误程序和恶意软件篡改内存数据，增加系统的稳定性。

4.2进程管理和文件管理解耦合：

进程在进行管理的时候，操作的是虚拟地址，不要去物理地址。这样就大大降低了程序开发的复杂度。

4.3有效利用内存资源：

让进程都以为独占内存空间，但是操作系统可以进行自由切换，没用的时候，就能从内存中放到磁盘中。

4.4让进程以统一的视角看待物理内存：

代码和数据可以加载到物理内存的任意位置，但是对于mm_struct一样还是相同的数据放在一起。

无序变有序。