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我与Linux的爱恋：进程地址空间

news 来源：原创 2024/9/25 20:48:16

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文章目录

1.来段代码
2.引入最基本的理解
3.尝试理解

1.来段代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int g_val = 100;int main()
{printf("father is running, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());pid_t id = fork();if(id == 0){//childint cnt = 0;while(1){printf("I am child process, pid: %d, ppid: %d. g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);sleep(1);cnt++;if(cnt == 5){g_val = 300;printf("I am child process, change %d -> %d\n", 100, 300);}}}else{//fatherwhile(1){printf("I am father process, pid: %d, ppid: %d. g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), getppid(), g_val, &g_val);sleep(1);}}
}

在这里插入图片描述
从一开始父子进程是相同的，由此可以推出我们打印的地址不是物理地址，而是虚拟地址，所以我们在c/c++中看到的都为虚拟地址，由操作系统负责转化为物理地址。
关于地址，从低地址到高地址存储的依次是：代码段、初始化全局数据区、未初始化全局数据区、堆区、栈区、命令行参数与环境变量。其中，堆区的空间是从小到大增长的，而栈区的空间是从大到小增长的

其中在32位机器中，使用32位（比特位）来表示一个地址，这意味着它可以表示 2^32
个不同的地址，也就是4GB；在64位机器中，使用64位（比特位）来表示一个地址，它可以表示 2^64 个不同的地址,也就是16EB

需要注意的是，这里的EB指的是艾字节（Exabyte），1EB等于 1,0241,024 PB（拍字节），而1PB等于 1,0241,024 TB（太字节），1TB等于 1,0241,024 GB（千兆字节），1GB等于 1,0241,024 MB（兆字节），1MB等于 1,0241,024 KB（千字节），1KB等于 1,0241,024 字节。因此，16EB是一个非常巨大的数字，远远超过了当前大多数应用场景的需求。
在这里插入图片描述

32位下是4GB 64位下是16EB

2.引入最基本的理解

当子进程修改g_val的值时，为了确保进程的独立性（也就是说子进程的数值修改不应该影响父进程），此时就会发生写时拷贝，会给子进程g_val开辟独立的物理地址空间，而不是与父进程共享同一块空间，通过我们观察发现，代码依旧共享一段空间，只是数据区不同了。
在这里插入图片描述

3.尝试理解

什么叫做地址空间？
在32位机器下，数据与地址总共32根线，每根数据与地址线可以产生充电和放电两种状态即0和1.因此地址总线组合排列形成的地址范围为[0,2^32],这就是地址空间。
那么如何理解地址空间的区域划分呢？
有时候你和同桌(张三和李四)吵架了，然后桌子总共200cm，然后规定每人100cm，即把课桌划分为[0,100] ，[101，200]这两个区域划分，如果我们要记录区域结果，我们需要先描述再组织

struct desktop{int zhangsan _start;int zhangsan _end;int lisi _start;int lisi _end;
}

操作系统为每个进程创建了进程地址空间和mm_struct，用于记录每个进程的各个区域的起始位置和结束位置。在已经被分配给某进程的空间范围内，该进程可以随意使用和访问
在这里插入图片描述
那么为什么要有进程地址空间呢？
例子：大富翁的私生子
大富翁有三个私生子，三个私生子之间互不直到对方的存在，这个大富豪对每个私生子说我有100亿，等到哪天你就继承我的100亿。如果其中某个儿子有需求要10w大富翁就给10w，但是如果要100亿，就可能无法成功，但他并不会觉得这100亿不是他的，而是觉得自己申请的太多了。
在这里插入图片描述
这里的大富翁就相当于操作系统，而这三个私生子就相当于进程。操作系统有4GB的内存空间，每个进程都认为自己有4GB，但是在通常情况下，进程并不会申请过大的空间。

因此 1.将无序变为有序
在操作系统中，虚拟内存是一种内存管理功能，它让每个进程都认为自己有连续的、独立的地址空间。而物理内存可能并不是连续的，并且被多个进程共享。这样每个进程都认为自己有所有的内存，但是实际上它们操作的是不同的物理内存区域。

进程隔离：每个进程都不能访问其他进程的内存，这增强了系统的稳定性和安全性。

内存保护：操作系统可以设置权限，防止进程访问它不应该访问的内存区域。

内存扩展：通过虚拟内存，系统可以使用硬盘空间作为临时的内存使用，即交换空间（swap space），从而扩展可用内存的大小

例子：压岁钱
小明新年获得了200块压岁钱，母亲担心小明会乱花钱，于是和小明说“你的压岁钱由我来保管，你需要买什么就和我说，我在从这里给你钱”。于是有一天小明要买一款游戏机150元，找妈妈去要，结果妈妈说“游戏机，会害了你的学习，不给买”。再一次小明要去买学习资料，向妈妈申请50块钱，妈妈同意了。因此，新增一个人，作为中间层，可以对非法请求进行拦截

在操作系统中，页表除了包含虚拟地址到物理地址的映射关系，还记录了该区域的读写权限。当用户对其已申请空间做了超出读写权限外的操作，则会被操作系统识别到，并终止该进程。
2.操作系统会拦截非法请求–>对物理内存进行保护
使用虚拟地址+页表的方式可以保证进程的独立性
3.因为有地址空间和页表的存在，将进程管理模块和内存管理模块进行了解耦合
我们也可以知道C/C++申请的地址是虚拟地址。
我们要重新定义一下我们对进程的概念进程=内核数据结构（PCB+页表+进程地址空间）+代码和数据