进程地址空间（比特课总结）
一、进程地址空间
1. 环境变量
1 ）⽤户级环境变量与系统级环境变量
- 全局属性：环境变量具有全局属性，会被⼦进程继承。例如当bash启动⼦进程时，环
- 境变量会⾃动传递给⼦进程。
- 本地变量限制：本地变量只在当前进程(bash)内有效，⽆法被⼦进程继承，如示例中
- 设置的hello=8888。
- 应⽤场景：
- PATH：帮助bash查找指令路径
- USER：⽤户⾝份认证
- PWD：当前⼯作⽬录信息
2）命令⾏参数
- 参数区分：
- argv[0]：程序名
- argv[1...]：⽤户输⼊的选项参数
- 实际应⽤：类似ls -a -l等命令，通过不同选项触发不同功能
3）环境变量与命令⾏参数的组织⽅式
- 三种获取⽅式：
- getenv()函数：最推荐的标准⽅法
- main()的第三个参数char* env[]
- 外部变量extern char ** environ
- 命令⾏参数表：指针数组存储选项字符串
- 环境变量表：独⽴指针数组存储环境变量
4）本地变量与环境变量对⽐
- 环境变量：可通过env命令查看，被⼦进程继承
- 本地变量：仅set命令可⻅，不被⼦进程继承
2. 虚拟地址空间
1）本地变量与环境变量的区别：
- 本地变量特性：
- 属于shell内部变量，不会被继承到⼦进程
- 通过echo命令可以访问，但env或grep等命令⽆法查看到
- 示例中hello=8888设置后，echo$hello能正确打印，但env grep hello查不到
2）地址空间现象观察
- 异常现象：
- ⽗⼦进程打印相同虚拟地址却得到不同值（⽗进程100/⼦进程300）
- 地址0x40405c和0x10405c显示相同内容但值不同
核⼼结论：
- 打印的地址不是物理地址，⽽是虚拟地址（线性地址/逻辑地址）
- 进程独⽴性通过虚拟地址空间实现，相同虚拟地址可映射不同物理内存
3）虚拟地址空间本质
感性理解：
进程认为⾃⼰独占系统资源（实际是操作系统制造的假象）
类⽐⼤富翁Peter给三个⼉⼦各画"⼗个亿美⾦"的蓝图
操作系统实现：
为每个进程创建独⽴的虚拟地址空间"⼤饼"
进程如同"私⽣⼦"彼此不知对⽅存在
4）地址空间管理机制
画饼原理：
需要记录所有画过的"饼"（维护蓝图数据结构）
示例：⽼板需要记住给500个员⼯画过的不同饼
- 内核实现：
- 采⽤"先描述再组织"的管理⽅式
- 本质是内核数据结构mm_struct
- 类⽐员⼯管理：进程需要管理，其地址空间同样需要管理
5）关键结论
- 核⼼认知：
- 地址空间是操作系统给进程画的"⼤饼"
- 通过虚拟地址实现进程间的内存隔离
- 所有打印的地址都是虚拟地址，⾮物理地址
- 实现⽅式：
- 内核通过mm_struct结构体描述地址空间
- 采⽤类似PCB的管理⽅式（先描述再组织）
- 示例中的⽗⼦进程现象正是虚拟地址机制的体现
3. 进程地址空间
1）地址空间的本质
- 内核数据结构：地址空间本质是内核的⼀种数据结构，具体表现为struct mm_struct结
- 构体
- 进程关联性：每个进程都有⾃⼰的PCB和独⽴的地址空间，这是进程管理的基本要素
- 区域划分：地址空间包含代码区、已初始化数据区、未初始化数据区、堆区和栈区等
- 多个功能区域
2）地址空间的成员
- 管理模型：采⽤"先描述，再组织"的管理⽅式，通过数据结构描述地址空间特征
- 核⼼问题：需要明确struct mm_struct结构体包含哪些成员变量来表征不同内存区域
- 类⽐理解：类似于企业中的"画饼"⾏为，本质是在⼤脑中构建蓝图（数据结构对象）
3）32位计算机地址空间
- 基本单位：地址空间描述的基本单位是字节（byte）
- 地址数量：32位系统可产⽣2 32个不同地址（约42亿个）
- 空间范围：2 32 × 1字节 = 4GB地址空间范围
- 唯⼀性保证：每个字节都有唯⼀对应的地址标识
4）地址的唯⼀性
- 地址意义：地址的最⼤价值在于其唯⼀标识性，具体数值形式不重要
- 表示⽅法：⽤32位⼆进制数即可表示所有地址（2 32种组合）
- 编制原理：从全0（0x00000000）到全1（0xFFFFFFFF）连续排列
5）地址的表示
- ⼆进制表示：最低地址为32个0，最⾼地址为32个1
- ⼗六进制表示：地址范围从0x00000000到0xFFFFFFFF
- 递增规律：地址按1字节步⻓递增，如0x00000000→0x00000001→...→0xFFFFFFFF
6）地址空间的编制
- 连续分布：地址从低到⾼连续分布，形成完整的4GB地址空间
- 区域划分：在此连续空间上划分出代码区、数据区、堆栈区等功能区域
- 关键问题：需要区分虚拟地址（C语⾔地址）与实际物理内存地址的关系
4. 尺⼦图像
教学⽤途 : 尺⼦在此处仅作为形象化的教学⼯具使⽤，具体刻度等细节并不重要
使⽤说明 : 教师强调只需保留尺⼦的基本外形特征即可满⾜教学演示需求
5. 桌⼦图像
选取标准 : 选择桌⾯部分作为主要演示对象，其他结构特征可以简化
教学作⽤ : 与尺⼦图像配合使⽤，共同构建教学所需的视觉化场景
6. 三⼋线划分区域
1 ）三⼋线划分区域的⼩故事引⼊
⽣活实例 ：通过⼩学同桌划分课桌的案例，⽣动说明区域划分的概念。⼥孩因男孩邋
遢且欺负她，在 100 厘⽶宽的课桌中间画线（ 1-50 归男孩， 51-100 归⼥孩），并警告越
界后果。
⾏为映射：该⾏为本质上是通过物理界限明确双⽅使⽤范围，类似计算机内存管理中
划分不同程序的内存区域。
2 ）三⼋线划分区域的概念
- 核⼼定义：区域划分即通过明确边界（如课桌的"三⼋线"）将整体空间分割为互不⼲
- 扰的独⽴部分。
- 关键特征：
- 唯⼀性：每个⼦区域内的地址/位置必须唯⼀（如课桌刻度1-100每个数字对应唯
- ⼀位置）
- 隔离性：划分后双⽅不得越界使⽤对⽅区域
- 计算机类⽐：类似进程地址空间中stack/heap/code区的划分，每个区域有明确的起始
- 和结束地址。
3）三⼋线划分区域的简单性说明
- 本质理解：复杂的内存区域划分原理可简化为"画根三⼋线"的⾏为，核⼼是确定边界
- 值（如50/51）。
- 实现基础：只需要两个变量即可描述⼀个区域：
- 起始点（如男孩区start=1）
- 结束点（如男孩区end=50）
7. 描述区域
1）数据结构实现
结构体设计 ：
赋值示例 ：
男孩区： [ 1 , 50 ]
⼥孩区： [ 51 , 100 ]
扩展应⽤ ：该模式可直接迁移到内存管理中的 mm_struct 结构体设计，通过 start/end 字
段描述不同内存区域范围。
2）技术要点
- 地址唯⼀性：如同课桌刻度需要唯⼀编号，内存中每个字节都必须有唯⼀地址（32位
- 系统为2 32个地址）
- 空间计算：
- 32位系统地址空间：2 32 × 1字节 = 4GB
- 区域⼤⼩公式：end_address − start_address + 1
- 数据类型：使⽤unsigned int保证地址值为⾮负数（类似课桌刻度从1开始编号）
8. 区域调整
1）区域调整的背景故事
冲突背景 ：男孩和⼥孩共⽤⼀张桌⼦，原划分区域为男孩 [ 1 , 50 ] ，⼥孩 [ 51 , 100 ] ，但
男孩经常⽆意越界
初始解决⽅案 ：⼥孩提出设置 10 厘⽶缓冲带（男孩让出 5 厘⽶，⼥孩让出 5 厘⽶），调
整后男孩 [ 1 , 45 ] ，⼥孩 [ 55 , 100 ]
2）区域调整的⽅法
数据结构 ：使⽤ struct Destop 定义区域边界
代码示例：
struct Destop {
unsigned int nan_start; // 男⽣起始
unsigned int nan_end; // 男⽣结束
unsigned int nv_start; // ⼥⽣起始
unsigned int nv_end; // ⼥⽣结束
}; 调整实例：通过修改结构体成员值实现区域重划分
struct Destop fix = {1,45,55,100}; // 带缓冲区的调整⽅案3）区域调整的本质
核⼼操作：通过修改区域的start和end值实现调整
技术要点：
减⼩⼀个区域的end值
增⼤另⼀个区域的start值
两者配合形成缓冲区
4）区域扩⼤
极端调整 ：⼥孩⽣⽓后取消缓冲区，直接重新划分
struct Destop new_d = {1,30,31,100}; // ⼥⽣占据70%空间 调整特点 ：
男⽣区域从 45 缩减到 30
⼥⽣区域从 45 扩⼤到 70
完全取消中间缓冲带
5）区域调整总结
核⼼思想：通过修改边界值实现空间重新分配
- 实现⽅式：
- 缓冲区⽅案：双向让步（各让出部分空间）
- 单边扩张：直接修改⼀⽅边界值
- 编程启示：结构体成员变量的修改直接影响实际空间划分
9. 进程地址空间定义
- 基本概念：进程地址空间默认在32位系统下有2 32个地址，每个地址对应1字节空间，
- 总⼤⼩为4GB。
- 地址特性：
- 每个字节都有唯⼀地址标识
- 地址范围从0000....0000到FFFF FFFF
- 使⽤32位⽆符号整数(unsigned int)表示地址
结构体表示：
1）创建地质空间时的⼯作
初始化过程 ：
- 操作系统为进程创建task_struct内核数据结构
- malloc申请struct mm_struct空间
- 设置各区域起始和结束地址
- 代码区：0x11111111 - 0x12111111
- 数据区：0x13000000 - 0x14000000
- 堆区：0x14000001 - 0x15000000
- 栈区：0x7FFFFFFF - 0x8FFFFFFF
类⽐说明 ：如同将 100 厘⽶的桌⼦划分区域，每个厘⽶刻度对应⼀个地址
2）任务结构体分析
关键字段：
- code区：存放可执⾏代码
- data区：包含已初始化数据
- heap区：动态内存分配区域
- stack区：函数调⽤栈空间
区域特性：
- 每个区域包含多个连续地址
- 区域间的地址称为虚拟地址
- 地址唯⼀性是最核⼼要求
调整机制：
虚拟地址本质：
- 区域起始和结束地址标记边界
- 区域内每个数字代表⼀个内存位置
- 如同桌⾯刻度标记物品位置
重要说明：
32位系统默认使⽤32位地址空间
区域划分是逻辑概念，实际物理内存可能不同
地址空间管理是操作系统核⼼功能之⼀
10. 虚拟地址总结
1）地址空间描述
- 基本单位：地址空间描述的基本空间⼤⼩是字节
- 地址数量：32位系统下有2 32个地址
- 空间范围：2 32 × 1字节=4GB空间范围
- 唯⼀性要求：每⼀个字节都要有唯⼀的地址
- 数据结构：通过struct mm_struct结构体管理地址空间
2）虚拟地址概念
- 本质特征：2 32个地址每⼀个都是虚拟地址
- 空间划分：通过code_start/code_end等变量设定虚拟地址空间范围
- 类⽐说明：类似给男⽣⼥⽣划分桌⾯区域（struct Destop d = (1,50,51,100)）
3）代码区与数据区
- 固定特性：
- 代码区⼤⼩固定（加载后不会被调整）
- 全局数据区（已初始化/未初始化）⼤⼩固定
- 管理⽅式：通过mm_struct中的code_start/code_end和data_start/data_end管理
4）堆区与栈区
动态特性：
堆区可通过malloc/new动态调整⼤⼩
栈区随函数调⽤/局部变量定义动态变化
调整⽅式：通过修改heap_start/heap_end和stack_start/stack_end实现
5）区域调整本质
核⼼机制：修改各区域的start或end值
具体操作：
扩⼤栈区：增加stack_end值（如加40字节）
扩⼤堆区：增加heap_end值
类⽐说明：类似调整桌⾯区域划分（struct Destop new_d = (1,30,31,100)）
6）扩⼤与缩⼩区域
扩⼤场景 ：
函数调⽤ / 定义局部变量（栈区）
malloc/new 操作（堆区）
缩⼩场景 ：
函数调⽤结束（栈区）
free 操作（堆区）
本质操作 ：改写 mm_struct 中的对应数值变量
类⽐理解 ：类似调整 " 三⼋线 " 划分区域
11. 每个进程的地址空间
- 地址空间划分：32位系统中每个进程拥有4GB虚拟地址空间，由操作系统划分为代码
- 区、数据区、堆区、栈区等不同区域
- 区域描述⽅式：通过结构体struct Destop定义区域边界，包含
- code_start/end、data_start/end、heap_start/end、stack_start/end等字段
- 调整原理：区域调整本质是修改各区域的start或end值，如mm-
- >code_start=0x11111111，mm->code_end=0x12111111
- 内存管理结构：通过mm_struct指针与进程控制块(task_struct)关联，形成"进程-地址
- 空间"的映射关系
12. 任务控制块
1）基本结构
- 核⼼作⽤：操作系统管理进程的核⼼数据结构，包含进程所有运⾏时信息
- 关键字段：
- 进程标识：pid(进程ID)、tgid(线程组ID)
- 状态控制：state(-1不可运⾏/0可运⾏/>0停⽌)、exit_state(退出状态)
- 内存管理：mm指针指向进程地址空间描述结构mm_struct
- 调度信息：prio(动态优先级)、static_prio(静态优先级)、rt_priority(实时优先级)
2）地址空间管理
- mm_struct作⽤：描述进程的虚拟地址空间布局，通过task_struct->mm指针关联
- 关键组成：
- 内存映射：mmap指向虚拟内存区域(VMA)链表，mm_rb是VMA的红⿊树结构
- ⻚表管理：pgd指向⻚全局⽬录，⽤于地址转换
- 空间划分：task_size确定⽤户空间⼤⼩，mmap_base指定内存映射区域基址
- 引⽤计数：mm_users记录⽤户空间使⽤者数量，mm_count为结构体引⽤计数
3）进程关系
- 亲属关系：
- real_parent指向实际⽗进程
- children链表记录所有⼦进程
- sibling链接到⽗进程的⼦进程链表
- 线程组织：group_leader指向线程组主进程，thread_group链接同组线程
- 跟踪机制：ptraced链表记录被ptrace跟踪的进程，ptrace_entry链接到跟踪者的列
- 表
13. 进程的地址空间
1）地址空间的结构
核⼼数据结构：进程地址空间由内核数据结构mm_struct描述，包含多个关键字段
- 内存统计字段：
- total_vm：总虚拟内存⼤⼩
- locked_vm：锁定的内存⼤⼩
- shared_vm：共享内存⼤⼩
- exec_vm：可执⾏内存⼤⼩
- stack_vm：栈区⼤⼩
区域边界字段：
start_code/end_code：代码区起⽌地址
start_data/end_data：数据区起⽌地址
start_brk/brk：堆区当前和结束地址
start_stack：栈区起始地址
arg_start/arg_end：命令⾏参数区
env_start/env_end：环境变量区
2）mm_struct结构体
内存管理单元：
*mmap：指向VMA链表头
mm_rb：VMA红⿊树根节点o
mmap_cache：最近使⽤的VMA缓存
地址分配相关：
get_unmapped_area：获取未映射区域函数指针
mmap_base：mmap区域基地址
task_size：任务虚拟内存空间⼤⼩
引⽤计数：
mm_users：⽤户空间计数
mm_count：结构体引⽤计数
同步机制：
mmap_sem：内存映射读写信号量
page_table_lock：⻚表⾃旋锁
3）进程与地址空间的关系
- 管理关系：进程通过task_struct中的*mm指针关联地址空间
- 区域调整机制：
- 定义局部变量/malloc → 扩⼤栈区或堆区
- 函数返回/free → 缩⼩栈区或堆区
- 本质理解：地址空间是内核维护的数据结构，区域调整即修改各区域的start/end值
- 32位地址空间特点：
- 地址范围：2 32个地址（4GB）
- 每个字节有唯⼀地址
- 通过32位数据即可表示全部地址
4）地址空间与内存的关系
关键问题：同⼀虚拟地址在不同进程中可能指向不同物理内存
现象解释：
⽗⼦进程读取相同地址得到不同值
证明地址空间是虚拟的抽象层
- 虚拟地址：进程视⻆的地址规范
- 物理地址：实际内存硬件地址
- 管理⽅式：通过⻚表建⽴虚拟地址到物理地址的映射关系