Linux之进程(七)--虚拟地址空间

我们在之前c语言和c++的学习过程中,对栈和堆,都有了一部分的了解.我们先来复习一下,堆栈,字符常量区,全局变量,指针,指针所指向的内容是什么

我们先来分析一下

str是一个字符串常量

&str则是一个指针,是局部变量,存放在栈上

main函数的地址

g_unval是未初始化的全局变量,

g_val是完成初始化的全局变量

str是常量字符串

test 是静态变量

hemp_mem是在堆上申请的空间

&hemp_mem是一个指针类型,也是一个局部变量,局部变量是存在于栈上面的

按照我们之前对于内存空间的理解,首先全局变量和静态变量的存储位置是比较接近的,局部变量存储在栈上面,而堆和栈相聚是比较远的

接下来我们来看下一组的对比

我们在堆上和栈上申请空间,看他们的增长方向

观察结果我们不难看出栈的增长方向,是往地址更小的位置,而堆则相反往地址更大的方向增长

堆,栈相对而生

按照我们之前的理解应该是父进程,子进程打印global结果是一致的,global的地址也是相同的

现在我们让子进程的global自己进行++

但是我们却看到global有不同的值,但是父子进程的global地址却是一样的???

这该如何解释呢??

一个数怎么会即是10又是11->进程拥有独立性,之前我们也解释过

可是为什么两者的地址是一样的,

->也就是说实际上这个地址(指针)不是物理地址->这个地址实际上是虚拟地址

我们先来认识一下虚拟地址空间

虚拟地址空间通过专属页表映射到物理内存，实现进程地址隔离。我们再各种软件里面看到的就是虚拟地址,而并非真实的物理内存地址.

子进程复制父进程的 task_struct、完整虚拟地址空间、页表；
页表只复制页表项，不复制物理内存 ：父子页表中，相同虚拟地址（如 0x601054）指向同一块物理内存页 （物理地址 0x12345678，存放全局变量global=10）；
只读段（.text代码、.rodata常量）天然共享，无任何复制开销；
此时父子进程完全共享数据物理页，这一步叫浅拷贝，大幅降低 fork 创建开销。

当子进程执行 global = 11 修改共享全局变量时：

修改页表的映射位置,实现刚刚的现象

做一个类比

大富翁承诺给每个私生子死后给他们留下遗产,每个人都是单独告诉,彼此之间并不知道,私生子每次都回问大富翁要钱,或者车子,房子什么的,但都是一点一点要,不会说直接将大富翁的财产全部都拿走.随着索要的东西越来越多,大富翁对于私生子的管理变得更加困难,所以要对他索要的东西进行管理.

类比角色	操作系统真实概念
大富翁	操作系统 + 全部物理内存
私生子 1~7	系统中运行的各个进程
大富翁承诺的专属遗产（每人一套独立资产清单）	每个进程独有的虚拟地址空间
私生子一点一点索要车子、房子	进程运行时，按需申请内存（malloc、局部变量、全局变量、代码加载）
私生子彼此不知道对方资产	进程间地址隔离：A 进程的虚拟地址 `0x60103c` 和 B 进程同数值虚拟地址互不干扰，无法互相访问
大富翁统一管理所有实物资产	OS 统一管理有限的物理内存，通过页表做虚拟→物理地址映射

每个进程都拥有 "完整独立资产" 的错觉 大富翁单独给每个私生子画一份完整遗产清单，让每个私生子以为自己独占所有房产、车辆；对应：每个进程都拥有完整 4GB/8GB 虚拟地址空间，进程以为自己独占全部内存，感知不到其他进程存在。
按需分配，不会一次性把所有物理内存全部分配 私生子不会一次性拿走所有财产，只会用到什么才向大富翁索要；对应：缺页异常 + 延迟分配，进程刚创建时只分配虚拟地址，不分配物理页；只有真正读写该地址时，OS 才分配物理内存，大幅节省物理内存开销。
所有进程共享同一份底层物理资源，由 OS 统一调度 所有私生子的实物资产都归大富翁统一保管；对应：所有进程共用有限物理内存，操作系统通过页表、换入换出、写时复制统一调度物理页。
天然实现进程隔离 私生子之间看不到对方的清单，不能直接挪用别人的房子车子；对应：进程地址空间完全隔离，无共享内存 / 管道等机制时，进程无法读写另一个进程的数据，保障程序安全稳定。