【Linux】程序地址空间

程序地址空间

首先引入地址空间的作用

cpp 复制代码
  1 #include <stdio.h>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include <stdlib.h>
  4 

	int g_val = 100;
  6 int main()
  7 {
  8   pid_t id = fork();
  9   if(id == 0)
 10   {
 11     int cnt = 0;
 12     while(1)
 13     {
 14       printf("I am child,pid : %d,ppid : %d,g_val : %d,&g_val : %p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
 15       cnt++;
 16       sleep(1);
 17       if(cnt == 5)
 18       {
 19         g_val = 200;
 20         printf("child chage g_val 100 -> 200 success\n");
 21       }
 22     }
 23   }
 24   else 
 25   {
 26     //father
 27     while(1)
 28     {                                                                                                                                                
 29 
 30       printf("I am father,pid : %d,ppid : %d,g_val : %d,&g_val : %p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
 31       sleep(1);
 32     }
 33   }
 34   return 0;
 35 }

我们发现,但我们子进程修改全局变量g_val的时候,父进程的g_val没有受到影响,但是他们的地址都是一样的,这是为什么呢?

由此我们知道,这里的地址绝对不是物理内存的地址,而是虚拟地址(线性地址);并且几乎所有语言,如果有地址的概念,这个地址一定不是物理地址,而是虚拟地址。物理地址是由操作系统保管的。以下我们就开始介绍虚拟内存的作用

什么是地址空间

首先基本了解一下地址空间的排布情况
目前我们先不考虑解析这里的共享区

代码实现验证地址空间的排布

cpp 复制代码
  1 #include <stdio.h>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include <stdlib.h>
  4 int g_val = 100;
  5 int g_unval;
  6 int main(int argc,char *argv[],char *env[])
  7 {
  8   //代码区
  9   printf("code addr:%p\n",main);
 10   //初始化数据
 11   printf("init global addr:%p\n",&g_val);
 12   //未初始化数据
 13   printf("uninit global addr:%p\n",&g_unval);
 14   //堆区
 15   char* heap_mem = (char*)malloc(10);
 16   char* heap_mem1 = (char*)malloc(10);
 17   char* heap_mem2 = (char*)malloc(10);
 18   char* heap_mem3 = (char*)malloc(10);
 19   printf("heap_mem addr:%p\n",heap_mem);
 20   printf("heap_mem1 addr:%p\n",heap_mem1);
 21   printf("heap_mem2 addr:%p\n",heap_mem2);
 22   printf("heap_mem3 addr:%p\n",heap_mem3);
 23 
 24   //栈区
 25   printf("stack addr:%p\n",&heap_mem);
 26   printf("stack addr:%p\n",&heap_mem1);
 27   printf("stack addr:%p\n",&heap_mem2);
 28   printf("stack addr:%p\n",&heap_mem3);
 29 //字面常量
 30   const char *str = "helloworld";
 31   printf("read only string addr: %p\n", str);
 32   
 33   int i,j;
 34   //命令区                                                                                                
 35    for(i = 0 ;i < argc; i++)                                                                                                                                             
 36     {              
 37         printf("argv[%d]: %p\n", i, argv[i]);
 38     }        
 39   
 40  //环境区
 41  for(j = 0;env[j];++j)
 42  {
 43    printf("env[%d] addr:%p\n",j,&env[j]);
 44  }
 45 
 46   
 47   
 48   return 0;
 49 }

由此可见我们发现我们输入命令后,命令的地址在我们所执行的代码之后,这说明刚创建好这些变量就有了它自己本身的地址,地址程序结束后才打印,要分清前后
接下来我们来认识什么是地址空间

这时我们可以利用虚拟地址加映射机制(页表)来正确的讲地址存入物理内存

虚拟地址:不管哪个编译器,只要看到的地址都是虚拟地址,物理地址是操作系统保管的。

每一行代码都进行了编址。故,程序在编译的时候,每一个字段早已经具有了一个虚拟地址

=什么是映射机制?

映射机制可以将虚拟地址转换到物理地址,如果发现虚拟地址会越界或者错误,则就不会抛出,他起到了关键作用

那么映射机制是怎么判断的呢?

以上就是所描述的社么是地址空间,简单来说它是存储虚拟地址的。

地址空间和页表(用户级)是每一个进程都单独有一份的。
只要每一个进程的页表映射的是物理内存的不同区域,就可以做到进程之间不会互相干扰保证进程的独立性。

为什么要有地址空间

  1. 凡是非法的访问或者映射,os都会识别到,并终止你这个进程,有效的保护了物理内存。
    因为地址空间和页表是os创建并维护的,所以凡是使用地址空间和页表的都会在os的监控下来进行范文,这样就间接的保护了物理内存中的所有合法数据和各个进程,以及内核的相关有效数据
  2. 物理内存和进程的管理可以做到解耦合(没关联)。
    当我们申请了物理空间,但是我们不立即使用的时候,就会造成内存空间的浪费;
    针对这一现象,os做出了延迟分配的策略,来提高整机的效率。
    因为地址空间的存在,所有申请的空间都是在地址空间上申请的,物理内存不是被申请到一个字节,当我们真正访问物理地址的时候,才执行内存相关的算法。帮助申请内存,构建页表之间的映射关系,这些都是由os自主完成的
  3. 因为在物理内存中理论上随意加载,也是随意存放的,但是通过地址空间的虚拟地址和页表之间的映射,从进程视角来看所有的内存分布就成有序的了。
    因为有地址空间的存在,每一个进程都认为自己单独有一块4GB(32)空间,并且各个区域是有序的。进而通过页表映射到不同区域,来实现进程的独立性,各个进程是不知道其他进程的存在的

回答问题,为什么地址相同值不同

发生了写时拷贝!,所以父子进程各自其实在物理内存中,有属于自己的变量空间!只不过在用户层用同一个变量(虚拟地址!)来标识了

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