虚拟地址空间

一  C C++内存空间布局验证

•  下图的结果符合第一个图的结构，而且我们可以发现堆向上增长，栈向下增长，堆栈相对而生，且第一个图不叫物理内存，叫进程地址空间 

二  虚拟地址的引出

•  我们可以看到fork之后数据共享

 

•   当我们修改子进程的gval,我们可以发现子进程的gval一直在改变，而父进程的gval不变，可以验证独立性，但是我们观察到他们的gval的地址是一样的，但是值不一样（虽然我们并不知道这个地址是怎么回事，但是我可以100%肯定，这个地址不是物理内存地址，我们把它叫做虚拟地址）
• 我们在c/c++所学的都是虚拟地址，物理内存地址我们看不见

三 虚拟地址空间和物理内存的关系 

虚拟地址空间的栈的上层还有一个内核空间和命令行参数环境变量，我们把除了内核空间的地址叫做用户空间，程序员可以直接用地址来进行访问，而访问内核空间必须要用系统调用

数据共享的原理

• 子进程会以父进程位模板创建tash_struct，拷贝虚拟地址内存，和页表（浅拷贝，所以指向的地址是一样的）通过页表指向同一个物理空间，所以数据是共享的

四 独立性的原理

• 一旦子进程开始要更改数据，操作系统就会在物理内存中重新开辟空间，拷贝内容 ，更改映射关系（这个操作叫做写时拷贝），做这些操作的时候虚拟地址不会改变，造成它的地址不同内容却不一样，而进程 = 内核数据结构（task_struct, mm_struct, 页表）+ 进程的代码和数据，内核数据结构是独立的，进程的代码是只读的（页表中有一行会记录它的权限），数据再写入的时候会发生写实拷贝，所以进程是独立的。

(1) 回答为什么fork()返回会有两个

• 任何一个变量都有地址（虚拟地址）当我们接受fork的返回值的时候本质是对id变量进行写入，这个时候会发生写时拷贝

五 如何理解空间划分

(1) 什么叫虚拟地址空间

举个例子

• 有一个大富翁他有10个亿，和许多私生子（他们彼此之间并不知道），他告诉每一个私生子将来会继承它的10个亿，假设私生子找大富翁要一些生活费，大富翁一定会给，但是如果一次性要10个亿他一定不会给，所以大富翁对于私生子们是有求必应的，但是不会将他的全部财产都一次给他，每一个私生子都知道自己会有10个亿，私生子就是进程，大富翁就是操作系统，画的10个亿大饼就是虚拟地址

• 当大富翁的私生子越来越多它的承诺就会越来越多，需要管理（先描述再组织），所以虚拟地址空间，是OS给进程们的承诺，本质一定是一个内核数据结构

 (2) 如何理解空间划分

例子：

• 我们小时候都划过38线，假设我们将100cm的桌子划38线【0，49】归你自己，【50，99】归同桌，其实他的本质就是划分区域，所以什么就做区域 ：其实只要有线性空间的一段开始地址和结束地址表明一段范围即可，所以虚拟地址空间里面一定有许多的start和end

•  结论：虚拟地址空间，本质其实是一个结构体struct mm_struct

(3) 为什么可以拿到命令行参数和环境变量

• 定义全局变量，全局有效，地址空间只要存在，那么全局数据区（初始化数据区）就要存在所以全局变量会一直存在，包括static静态变量
• 字符串常量，其实和代码是编译在一起的，都是只读的。（因为代码就是只读的）这也就是字符常量区的数字不能改（字符常量区，被页表映射的时候，有权限约束，不让写入操作进行转换）const: 约束编译器，让编译器进行写入时候报错，如果不加会在运行时（报错，查页表发现权限不允许）
• 命令行参数和环境变量属于父进程的地址空间内的数据资源，和代码区一样，子进程会继承父进程的地址空间，所以子进程也能看到命令行参数和环境变量
• 为什么要有虚拟地址空间
• 因为有了虚拟地址-》就必须转换成为物理地址（避免造成一个进程妨碍到另一个进程，不符合独立性）-》要访问内存，必须先转换（在你虚拟到物理内存转换的时候，进行安全审核）-》变相保证物理内存的安全，维护进程独立性特性
• 我们的可执行程序，加载到物理内存，可以在物理内存的任意位置加载（理论上），造成十分无序的状态，但是因为有了虚拟地址空间，从操作系统的角度来看，进程看到自己的代码和数据都是有序的-》无序变有序
• 创建一个进程的时候，先有内核数据结构，再有进程的代码和数据，可以一边执行，一边加载（这就是惰性加载）提高内存的效率
• 进程管理和内存管理进行解耦合了。 

六 vm_area_struct

• 以双链表组织，多了的话也可以以红黑树组织
• 我们在上面区域划分就是一堆的开始start和end，但是像堆这种空间，我们会一段一段的申请，且每一段的地址都会不一样，这就要依靠vm_area_struct数据结构了
• 源代码