【Linux】虚拟地址空间
前言：
上文我们讲到了Linux中的环境变量【Linux】环境变量-CSDN博客
本文我们来讲一下Linux中的虚拟地址空间
初识空间分布
下面是虚拟地址空间的大致分布图：
我们可以先通过代码来验证是否正确：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int g_unval;
int g_val = 100;int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{const char* str = "helloworld";printf("code addr: %p\n", main);printf("init global addr: %p\n", &g_val);printf("uninit global addr: %p\n", &g_unval);static int test = 10;char* heap_mem = (char*)malloc(10);char* heap_mem1 = (char*)malloc(10);char* heap_mem2 = (char*)malloc(10);char* heap_mem3 = (char*)malloc(10);printf("heap addr: %p\n", heap_mem);printf("heap addr: %p\n", heap_mem1);printf("heap addr: %p\n", heap_mem2);printf("heap addr: %p\n", heap_mem3);printf("test static addr: %p\n", &test);printf("stack addr: %p\n", &heap_mem);printf("stack addr: %p\n", &heap_mem1);printf("stack addr: %p\n", &heap_mem2);printf("stack addr: %p\n", &heap_mem3);printf("read only string addr: %p\n", str);for (int i = 0; i < argc; i++){printf("argv[%d]: %p\n", i, argv[i]);}for (int i = 0; env[i]; i++){printf("env[%d]: %p\n", i, env[i]);}return 0;
}hyc@hcss-ecs-4ce7:~/linux/虚拟地址$ ./test
code addr: 0x55da1c103189
init global addr: 0x55da1c106010
uninit global addr: 0x55da1c10601c
heap addr: 0x55da1d1f06b0
heap addr: 0x55da1d1f06d0
heap addr: 0x55da1d1f06f0
heap addr: 0x55da1d1f0710
test static addr: 0x55da1c106014
stack addr: 0x7ffcf95ad350
stack addr: 0x7ffcf95ad358
stack addr: 0x7ffcf95ad360
stack addr: 0x7ffcf95ad368
read only string addr: 0x55da1c104004
argv[0]: 0x7ffcf95ad71f
env[0]: 0x7ffcf95ad726
env[1]: 0x7ffcf95ad736
env[2]: 0x7ffcf95ad744
env[3]: 0x7ffcf95ad75f
env[4]: 0x7ffcf95ad780
env[5]: 0x7ffcf95ad78c
env[6]: 0x7ffcf95ad7a1
env[7]: 0x7ffcf95ad7b0
env[8]: 0x7ffcf95ad7bf
env[9]: 0x7ffcf95ad7d0
env[10]: 0x7ffcf95addbf
env[11]: 0x7ffcf95addf5
env[12]: 0x7ffcf95ade17
env[13]: 0x7ffcf95ade2e
env[14]: 0x7ffcf95ade39
env[15]: 0x7ffcf95ade59
env[16]: 0x7ffcf95ade62
env[17]: 0x7ffcf95ade6a
env[18]: 0x7ffcf95ade7e
env[19]: 0x7ffcf95ade9a
env[20]: 0x7ffcf95adebe
env[21]: 0x7ffcf95adecf
env[22]: 0x7ffcf95adf10
env[23]: 0x7ffcf95adf78
env[24]: 0x7ffcf95adfab
env[25]: 0x7ffcf95adfbe
env[26]: 0x7ffcf95adfd1
env[27]: 0x7ffcf95adfe8虚拟地址
打印不同进程下的相同变量的地址与值：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int g_val = 0;int main()
{pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}
我们可以看到父子进程的输出结果都是一样的，很好理解没有问题。
但如果子进程对变量进行修改会发生什么？
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int g_val = 0;int main()
{pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork");return 0;}else if (id == 0){ g_val=100;printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}
这时我们就会发现输出变量的地址是一模一样的，但是变量的值却不一样！这就很奇怪了。
总结：
相同的地址值却不一样，说明我们所打印出来的绝对不可能是真实的地址。而这就是我们说所的虚拟地址。
我们在使用C/C++看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概都看不到，由OS统一管理。
换言之，OS负责讲虚拟地址转化为物理地址。
虚拟地址空间
结论一：
1.一个进程，对应拥有一个虚拟地址空间。
2.一个进程，也对应拥有一个页表。页表的作用是建立虚拟地址与物理地址的映射关系，用于虚拟地址与物理地址的转化。
3.虚拟地址空间单位为：1字节，既一个地址指向的空间大小为1字节。32位机器有2^32个地址，64位机器有2^64个地址。32位机器的虚拟空间大小就有4G（2^32*1字节）其中3G是用户可用空间，1G是内核空间（暂时不用管）
如果我们创建一个子进程，我们知道子进程的task_struct是拷贝父进程的，而子进程与父进程共享代码与数据（没有新继承加载进来的情况下）这也就意味了子进程的页表映射关系与父进程一模一样。
但如果子进程要修改数据呢？会发生什么？
结论二：
子进程修改数据会发生写时拷贝：在物理空间上重新开辟，并在页表中重新建立映射关系。注意：虚拟地址并没有改变，仅仅改变了物理地址！！！
这也就解释了最开始的代码中，为什么明明打印出来的地址相同，但是值却不同。
写时拷贝的意义
有的同学可以困惑，为什么不创建进程的时间直接拷贝一份呢？
1.减少了创建进程的时间
如果创建时就直接拷贝，会增加进程创建的时间：并不会进程中每一个变量都会修改
2.减少了内存的浪费
对于不需要修改的变量，依旧拷贝就会产生冗余数据，浪费内存空间
虚拟地址空间的本质
mm_struct
虚拟地址空间的本身其实就是一个结构体！（mm_struct）
我们知道虚拟空间中有许多区域划分，而如果确定区域的位置呢？只需要知道各个区域的起始位置以及结束位置就可以了。所以mm_struct的主要成员变量是各个区域的位置信息。
想要对区域进行调整，也只需要修改对应区域的start、end即可。
struct mm_struct
{unsigned long start_code,end_code;unsigned long start_data,end_data;......
}我们说一个进程对应一个虚拟地址空间，既对应一个mm_struct。操作系统中有多个进程，必然也有多个mm_struct。那么就如何管理的呢？
1.当数量较少时，采用单链表管理
2.当数量较多时，采用红黑数管理
vm_area_struct
mm_struct中还有一重要成员：vm_area_struct（存放其指针）
vm_area_struct用来表示一个独立的虚拟内存区域，由于每个不同的虚拟内存区域功能和内部机制都不同，因此⼀个进程使⽤多个vm_area_struct结构来分别表示不同类型的虚拟内存区域，方便进程快速访问。
为什么要有虚拟地址
1.让无序的物理地址，变为有序
2.在地址的转化过程中，可以对地址以及操作进行判定是否合法，进而保护了物理内存
例如：char* str="abc"; *str="a"，为什么会报错？因为在查找页表时被拦截了！
3.让进程管理和内存管理，进行一定程度的解耦合
不让虚拟地址与物理地址有强相关性
补充：
1.我们可以不加载代码和数据，只有task_struct、mm_struct、页表
2.再次理解挂起：保留虚拟地址空间以及页表中的虚拟地址，清空页表中的物理地址，将物理地址空间唤入到磁盘的swap分区中