Linux进程（五）：进程地址空间篇

地址隔离，进程保护 每个进程以为自己独占内存，不能直接读写别的进程的地址；越界访问直接触发段错误 SIGSEGV，防止一个进程搞垮整个系统。
简化链接、编译 编译器不需要关心这个程序将来会被加载到内存哪个位置，统一使用逻辑虚拟地址，也就是位置无关代码 PIC。
内存利用率更高（虚拟内存） 不用把整个程序全部一次性载入物理内存；用的时候才加载（缺页中断），闲置数据可以换出到 swap 磁盘，物理内存可以同时跑更多程序。
方便内存共享 比如 C 标准库 shturl.，只在物理内存存一份，多个进程的虚拟地址空间同时映射到这一块物理内存，节省内存。
方便进程隔离、权限控制 代码段设置只读，防止程序指令被恶意修改；栈、堆设置可读可写，内核空间用户态不可访问。

五、验证进程地址空间分布

编译运行环境：gcc + Linux

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 初始化全局变量 -> .data段
int g_val1 = 100;
// 未初始化全局变量 -> .bss段
int g_val2;

void test_func()
{
    // 局部变量，在栈上
    int stack_a = 10;
    printf("【栈 stack】局部变量 stack_a 地址：%p\n", &stack_a);
}

int main()
{
    static int static_val = 200; // 静态局部变量，.data段
    int local = 1;               // main函数局部变量，栈

    int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); // 堆heap
    *p = 666;

    printf("【代码段 .text】函数test_func地址：%p\n", test_func);
    printf("【.data段】已初始化全局变量 g_val1：%p\n", &g_val1);
    printf("【.data段】静态变量 static_val：%p\n", &static_val);
    printf("【.bss段】未初始化全局变量 g_val2：%p\n", &g_val2);
    printf("【堆 heap】malloc开辟的p指向地址：%p\n", p);
    printf("【栈 stack】main局部变量 local：%p\n", &local);

    test_func();
    free(p);
    return 0;
}

预期观察现象

函数地址（代码段）地址最低；
然后是.data、.bss；
堆地址比 bss 高；
栈地址远远高于堆，靠近高地址；
多次运行，这些变量的虚拟地址几乎不变 （ASLR 地址随机化开启会变化，可以echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space临时关闭测试）

六、证明：写时拷贝

这个是面试高频考点，最能证明：虚拟地址≠物理地址！

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    int num = 100;
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0)
    {
        perror("fork fail");
        return 1;
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // 子进程
        printf("=====子进程=====\n");
        printf("子进程修改前 num = %d, &num = %p\n", num, &num);
        num = 200;
        printf("子进程修改后 num = %d, &num = %p\n", num, &num);
    }
    else
    {
        // 父进程
        sleep(1); // 等子进程先打印
        printf("=====父进程=====\n");
        printf("父进程 num = %d, &num = %p\n", num, &num);
    }
    return 0;
}

运行结果

现象：父子的 num 虚拟地址一模一样，但是变量值互不影响。 原理：

fork 之后，一开始父子页表映射到同一块物理内存，只读共享；
任意一方尝试修改内容，触发写时复制（COW）：OS 开辟一块新物理内存，复制数据，修改进程的页表映射；
虚拟地址不变，但是现在映射到两块不同物理内存，互相隔离。

这就是进程地址空间的魔力：相同虚拟地址，可以对应不同物理内存。

七、验证野指针访问，验证地址保护

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
    int *p = (int*)0x12345678; // 随便写一个非法虚拟地址
    *p = 10;
    return 0;
}

编译不会报错，运行直接 Segmentation fault（段错误） 原因：这个虚拟地址不在当前进程地址空间合法范围内，MMU + 页表检测到非法访问，内核发送信号杀死进程，保护系统。

八、总结

进程地址空间本质：一套虚拟地址的管理布局，是操作系统给每个进程的抽象假象；
分段：代码段、数据段、BSS、堆、栈、共享区、内核区；
核心硬件支撑：MMU + 页表，完成虚拟地址→物理地址翻译；
关键机制：写时复制 COW、缺页中断、权限检查；
两个核心代码证明：①各段地址分布；②fork 父子同虚拟地址但是独立。
虚拟内存管理：在进程地址空间基础上，页面置换、缺页异常、swap；
虚拟地址的意义：上面已经覆盖，隔离、解耦、内存超配。

Linux进程（五）：进程地址空间篇

一、程序地址空间 vs 进程地址空间

二、进程地址空间是什么

三、虚拟地址 和 物理地址 的关系

四、为什么需要进程地址空间（虚拟地址空间）

五、验证进程地址空间分布

六、证明：写时拷贝

七、验证野指针访问，验证地址保护

八、总结

三、虚拟地址和物理地址的关系