目錄

?前言：?地址空間回顧

?驗證：一個變量是否會有兩個值？

一. 什么是地址空間

虛擬地址與物理地址之間的關(guān)系

二. 地址空間是如何設(shè)計的?

1. 回答一個變量兩個值

2.擴展

繼續(xù)深入理解

三. 為什么要有地址空間

原因：

1. 使操作系統(tǒng)對訪問或者映射的合法性檢查，殺掉非法進程，從而保護數(shù)據(jù)安全。?

2. ?使物理內(nèi)存分配與進程管理，通過頁表進行解耦，在加載時確定映射關(guān)系后，相互獨立

3. 保證每個進程以統(tǒng)一的視角（有序的區(qū)域劃分）進行管理，完成進程獨立性的實現(xiàn)

頁表補充

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?前言：?地址空間回顧

之前我們學(xué)習(xí)C是，對內(nèi)存分布的了解?

字符串常量在靜態(tài)常量區(qū)（靜態(tài)區(qū)）?

那么這真的是內(nèi)存嗎？

答案是：不是

?那我們之前所了解的上圖又是什么？ 那真正的內(nèi)存又是指什么？讓我們來解釋其中的奧秘

?驗證：一個變量是否會有兩個值？

我們運行下面的代碼

    #include <iostream>2 #include <unistd.h>3 using namespace std;4 5 int _gar = 100;6 int main()7 {8    pid_t pd = fork();9 10    if (pd == 0)11    {// 子進程12      int cen = 0;13      while (1)14      {15        cout << "I am child ,Pid :" << getpid() << " PPid:" << getppi    d() << " _gar = " << _gar << "地址:" << &_gar << endl;16        sleep(1);17        cen++;18        if (cen == 5)19        {20          _gar = 200;                                                21          cout << "100 -> 200 seccoss -gar = " << _gar << "++++++++++    +++++++++++" << endl; 22        }23      }24    }25    else26    {27     // 父進程28     while (1)29     {30        cout << "I am father ,Pid :" << getpid() << " PPid:" << getpp    id() << " _gar = " << _gar << "地址:" << &_gar << endl;31     sleep(1);32     }33    }34    35   return 0;36 }

根據(jù)我們實驗出來的結(jié)果：

這其實是虛擬地址，也叫線性地址。

幾乎所有的語言，所說的“地址”指的并非物理地址，而是虛擬地址！！！！

這里對本文剛開始的內(nèi)存進行解釋：

內(nèi)存可以分為主存儲器（主內(nèi)存）和輔助存儲器（如硬盤、固態(tài)硬盤等）。主內(nèi)存是計算機中直接與CPU交互的存儲器，用于存儲當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器則用于長期存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)程序或數(shù)據(jù)不再需要時，可以將其保存在輔助存儲器中。（來源：chatgpt）

一. 什么是地址空間

虛擬地址與物理地址之間的關(guān)系

任何數(shù)據(jù)，都需要加載到內(nèi)存中，都有各自的物理地址。如果我們進程A,B同時運行，相互獨立，萬一出現(xiàn)錯誤，將A將B中的數(shù)據(jù)讀取了，這是極不安全的，而如果在虛擬地址上先操作，再通過一定的機制，確保訪問的安全性。因此虛擬地址的存在，保護了物理地址上的數(shù)據(jù)安全。

地址空間的本質(zhì)是：一種內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，里面至少有各個區(qū)域的劃分。

二. 地址空間是如何設(shè)計的?

我們知道每個進程都有自己的PCB，同時task_struct里面有進程地址空間數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，也就是mm_struct。虛擬地址經(jīng)過頁表映射，指向物理地址。

?

?注意：每個進程中，不只是地址空間，頁表也有自己私有一份。

?這樣我們只要保證每個進程之間經(jīng)過頁表映射后的物理地址不同，即可保證進程之間互不干涉。

1. 回答一個變量兩個值

解釋：

父進程通過自己的task_struct中地址空間數(shù)據(jù)訪問到在物理空間上的數(shù)據(jù)，子進程則是共享父進程的代碼，但當(dāng)子進程想對數(shù)據(jù)進行修改，為了保證進程之間的獨立性，系統(tǒng)決定進行寫時拷貝，為子進程拷貝一份數(shù)據(jù)，同時修改子進程頁表映射數(shù)據(jù)。這樣就在表面上看就是相同變量，不同的值，但本質(zhì)上是相同的虛擬地址，不同的頁表，不同的物理地址，不同的值。

具體的就體現(xiàn)在id的兩次寫入：

2.擴展

?結(jié)論：在可執(zhí)行程序，編譯時內(nèi)部就有地址了

?我們在分析地址空間時，一直使用的是OS的視角，而不只是操作系統(tǒng)要遵守，編譯器也要遵守！ 即在編譯器編譯代碼時，就已經(jīng)在內(nèi)部形成了地址，而且有各個區(qū)域：代碼區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)...并且采用與linux內(nèi)核一樣的編址方式，每一個變量，每一行代碼都有其虛擬地址。

繼續(xù)深入理解

? ? 我們知道執(zhí)行進程是通過虛擬地址+頁表的方式來訪問物理地址的，那可執(zhí)行程序的虛擬地址和頁表的數(shù)據(jù)又是從那里來的呢？

流程分析?：

所以CPU在讀取到變量a時，根據(jù)虛擬地址0x100在代碼段中尋找，在代碼段查詢頁表后，再跳轉(zhuǎn)0x169地址找到數(shù)據(jù)a,CPU獲取其內(nèi)部跳轉(zhuǎn)虛擬地址0x123，再從虛擬地址中尋找，通過頁表訪問到函數(shù)func。（物理內(nèi)存位置隨便加載）

三. 為什么要有地址空間

原因：

1. 使操作系統(tǒng)對訪問或者映射的合法性檢查，殺掉非法進程，從而保護數(shù)據(jù)安全。?

例：假設(shè)char* man = "雞你太美";? *man = ‘寄’ ， 我們在C語言期間就清楚字符常量無法修改，其原因來自底層頁表中會記錄代碼段地址，并且記錄其讀寫權(quán)限，操作系統(tǒng)檢測到非法操作后就會中斷結(jié)束進程，保護數(shù)據(jù)。（在物理內(nèi)存我們是可以任意修改的，所以頁表上的判斷確保了操作的合法性，保護了數(shù)據(jù)的安全）

2. ?使物理內(nèi)存分配與進程管理，通過頁表進行解耦，在加載時確定映射關(guān)系后，相互獨立

問：是否可以提前加載未來的數(shù)據(jù)到物理內(nèi)存中呢？
答：可以

解析: 物理內(nèi)存的分配和進程管理，之間可以說沒有關(guān)系。這種關(guān)系叫做解耦合，那什么是強耦合呢？就是之間關(guān)系緊密，不容易分開，例如：你把函數(shù)內(nèi)容寫在main函數(shù)里面。

?

我們在學(xué)習(xí)C,C++時，在語言層面上new,malloc等內(nèi)存分配上的操作都是在對虛擬地址上的操作。那疑問來了

問：在進行虛擬地址分配的時候是否在物理內(nèi)存上分配資源？

答：不會，只在你訪問時，才申請物理內(nèi)存空間，通過這延遲分配的策略，提高整機效率。（這個操作僅操作系統(tǒng)自動完成，用戶，進程0感知）

3. 保證每個進程以統(tǒng)一的視角（有序的區(qū)域劃分）進行管理，完成進程獨立性的實現(xiàn)

頁表補充

以現(xiàn)在的視角看進程，加載內(nèi)存就好像是創(chuàng)建進程，那是否會加載全部的數(shù)據(jù)到內(nèi)存上呢？

我們在玩游戲時有的游戲動則40G，甚至是100G，我們的電腦是絕對裝不下的，因此內(nèi)存有一種內(nèi)存換下機制，一些數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)不再使用則被換下，加載新數(shù)據(jù)，（說到這里要對頁表進行補充，頁表不只映射物理內(nèi)存，也映射硬盤地址）再次使用被換下的數(shù)據(jù)直接查詢頁表，用磁盤地址快速訪問加載到內(nèi)存中。

結(jié)語

? ?本小節(jié)就到這里了，感謝小伙伴的瀏覽，如果有什么建議，歡迎在評論區(qū)評論，如果給小伙伴帶來一些收獲請留下你的小贊，你的點贊和關(guān)注將會成為博主創(chuàng)作的動力。