进程地址空间
进程地址空间
目录
- 什么是进程地址空间
- 地址的理解
- 进程地址空间的分区
- 深度理解进程地址空间
1.什么是进程地址空间
引言：
我们在学习C语言/C++时，当时为了方便我们理解和认识数据在内存中的存储，引入了C/C++内存分布图，即下图：
我们将内存分区，分成了：栈区，堆区，数据段，代码段。不同的区域存储不同的数据，如栈区存储变量，malloc函数将空间开在堆区，全局变量和静态变量放在数据段，常量放在代码段等等。
这些在我们当时学的时候，觉得没有问题，但是，学习冯诺依曼结构，我们知道了程序在运行时，代码和数据都需要加载到内存中，那现在有一个问题，如果一个程序就把内存给全占了，操作系统还怎么运行？要知道操作系统在运行时也是需要被加载到内存中的。
正文：
为了解决上面的问题，操作系统给每个进程都分配独立的虚拟内存区域，而这个虚拟内存区域就是进程地址空间。
说简单点，因为进程地址空间的存在，每个进程都认为自己是独享整个内存的，但是实际上，操作系统会通过页表来将虚拟内存的地址映射到物理内存上。
进程地址空间图示：
没错，以往我们学的C/C++内存分布其实是进程地址空间，它不属于语言范畴的学习，算作操作系统的。
2.地址的理解
研究背景：32位平台
为什么内存会有地址？
- 内存拥有地址是为了定位和管理数据。地址为内存中的每个存储单元提供了一个唯一标识，使得处理器能够精确地读取或写入数据。
为什么地址的范围是0~2^32?
- 首先，地址的范围与平台的位数有关，32位平台地址最大是232，64位平台地址最大是264。
- 在32位平台上，内存地址的长度是32位，即每个内存地址由32个二进制位组成。
- 由于地址空间大小是 2^32 个不同的地址单元，因此最大可以支持 4GB 的内存（2^32=4,294,967,296 字节）。
3.进程地址空间的分区
进程地址空间分区的功能，小羊已经写过相关的博客点我
这里，我们着重探讨的是进程地址空间在底层是如何实现分区的。
研究背景：kernel 2.6.32
首先，在进程部分，我们知道，进程=PCB+程序代码，对于进程地址空间的记录，就被放在了PCB中。
而Linux在底层实现PCB时，用的是task_struct结构体，来保存数据，而进程地址空间的数据保存，则是用了mm_struct结构体
没错，进程地址空间的分布就是直接用相关分区的开头和结尾定义下的，例如：
start_code是代码区的开始，end_code是代码区的结束。start_data是数据区的开始，end_data是代码区的结束。
4.深度理解进程地址空间
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为什么会存在进程地址空间？
- 如果让进程直接访问物理内存，如果进程非法越界了会非常不安全。
- 进程地址空间的存在，可以更方便进行进程和数据代码的耦合，保证了进程的独立性。
- 让进程和编译器都以统一的视角，看待进程对应的代码和数据各个区域，方便使用。
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只有OS会遵守虚拟地址空间的规则吗？
- 不是，编译器也要遵守。编译器在编译时，就是按照虚拟地址空间的方式对代码进行编址。
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可执行程序在写完后放在磁盘上，此时没有被加载到内存里，可执行程序的内部是否存在地址？
- 存在，程序在编译时，函数和变量就被编写了虚拟地址。
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当程序被加载到内存上后，就天然具有了物理地址，此时的程序就有了两套地址。
- 存在，程序在编译时，函数和变量就被编写了虚拟地址。
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当程序被加载到内存上后，就天然具有了物理地址，此时的程序就有了两套地址。