Linux概念——进程地址空间

<1> 进程地址空间

对于C语言学习，我们并不陌生这张图 我们编写一段C语言代码来验证上述图的准确性

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

int g_val = 100;
int g_unval;

int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
          
   
  //环境变量
  printf("env addr:%p
", env[0]);
  printf("env addr:%p
",env[1]);
  //命令行参数
  printf("argv addr:%p
",argv[0]);
  printf("argv addr:%p
",argv[argc-1]);
  char* mem = (char *)malloc(sizeof(char)*4);

  //栈
  printf("Stack addr:%p
",&mem);
  //堆
  printf("Heap addr:%p
",&mem);
  //未初始化数据
  printf("uninit addr:%p
",&g_unval);
  //初始化数据
  printf("init addr:%p
",&g_val);
  //正文代码
  printf("code addr:%p
",&main);

  return 0;
}

结果

可以看到对于程序中定义的变量打印出来的地址全部都一一对应了

Q1：什么是地址空间？

地址空间是对物理内存的一种虚拟化表示，在Linux内核中以结构体的形式划分为不同的区域。

<2> 虚拟地址空间

既然前面说到了进程空间是一种虚拟化表示，我们运行下面代码来验证进程地址空间

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
          
   
  pid_t id = fork();
  if(id < 0)
  {
          
   
    perror("fork");
    return 0;

  }
  else if(id == 0)
  {
          
    //child 
     printf("child[%d]: %d : %p
", getpid(), g_val, &g_val);
  }
  else
  {
          
    //parent
    printf("parent[%d]: %d : %p
", getpid(), g_val, &g_val);
  }
  sleep(1);
  return 0;
}

由结果可以看出，父进程的全局变量地址和子进程的全局变量地址相同，正好对应了进程空间地址那张图，那么我们稍作修改

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
          
   
  pid_t id = fork();
  if(id < 0)
  {
          
   
    perror("fork");
    return 0;

  }
  else if(id == 0)
  {
          
    //child ,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取
    g_val = 100;
    printf("child[%d]: %d : %p
", getpid(), g_val, &g_val);
  }
  else
  {
          
    //parent
    sleep(3);
    printf("parent[%d]: %d : %p
", getpid(), g_val, &g_val);
  }
  sleep(1);
  return 0;
}

我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！

能得出如下结论:

变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量 但地址值是一样的，说明该地址绝对不是物理地址！ 在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址。 我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理

Q2：为什么要有地址空间？

1. 如果没有地址空间，那么进程访问的地址都是物理地址，当一个进程的指针去读写另一个进程的地址时，出现野指针现象，导致别人的空间遭到破坏，从而违背了进程的独立性原则。
2. 进程数据存放的位置时不连续的，因此访问难度较大，也增加了异常越界的概率。

Q3: 地址空间时怎么工作的？

1. 既然地址空间时虚拟的，那么OS必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 ， 这中间就需要建立映射关系——页表来进行转换。
2. 由操作系统去访问物理内存，人为干扰的进程非法行为将被禁止，堆内存起到了保护作用。

<3> 页表

上面的图就足矣说名问题，同一个变量，地址相同，其实是虚拟地址相同，内容不同其实是被映射到了不同的物理地址！