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程序地址空间

news 2025/10/26 18:27:10

文章目录

- 1. 程序地址空间回顾
- 2. 虚拟地址
- - 2.1 概念
  - 2.2 虚拟地址与进程地址空间
  - 2.3 区域划分与 mm_struct
  - 2.4 虚拟地址空间的意义
  - 2.5 一些问题
  - 2.6 堆区
- 3. 作者的感悟

1. 程序地址空间回顾

我们在讲C语⾔的时，为了帮助我们理解变量在内存中的分布，我们曾看到过这样的图：
在这里插入图片描述

通过以下代码可以验证：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.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); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("heap addr: %p\n", heap_mem1); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("heap addr: %p\n", heap_mem2); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("heap addr: %p\n", heap_mem3); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("test static addr: %p\n", &test); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("stack addr: %p\n", &heap_mem); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("stack addr: %p\n", &heap_mem1); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("stack addr: %p\n", &heap_mem2); //heap_mem(0), &heap_mem(1)printf("stack addr: %p\n", &heap_mem3); //heap_mem(0), &heap_mem(1)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;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
结论：输出结果同图中结果一样，由代码区到环境变量区的地址逐渐增大。其中注意的点：

代码段（code）：地址为0x40055d，属于程序代码的加载区域，通常在较低地址（符合操作系统对代码段的布局习惯）。
全局数据段：

初始化全局变量（init global）地址0x601034，
未初始化全局变量（uninit global）地址0x601040，
静态变量（test static）地址0x601038

三者属于全局数据段，地址高度集中（都在0x6010xx区间），体现了全局数据的连续存储特性。

只读字符串段：地址0x400800，属于程序的只读数据区（存储字符串常量），和代码段地址（0x40055d）同属0x400xxx区间，说明只读数据与代码在内存中是相邻 / 同区域管理的。
堆（Heap）的地址规律
堆地址为0x1415010、0x1415030、0x1415050、0x1415070——每次地址递增0x20（即十进制的 32），体现了堆内存 “按需分配、向上增长” 的特点：堆由程序动态申请（如malloc），每次分配的内存块地址是连续递增的，且块大小固定。
栈（Stack）的地址规律
栈地址为0x7ffdccce9b798、0x7ffdccce9b790、0x7ffdccce9b788、0x7ffdccce9b780——每次地址递减0x8（即十进制的 8），体现了栈== “后进先出、向下增长” ==的核心特性：栈用于函数调用、局部变量存储，每次函数调用或局部变量定义会 “压栈”，地址向低地址方向递减（0x7ffd…属于用户栈的典型地址范围，在 Linux 系统中栈从高地址向低地址扩展）。
命令行与环境变量的地址规律
argv[0]地址0x7ffdccce9c7fc，env系列地址从0x7ffdccce9c803开始，且env[0]到env[22]的地址连续递增（每次递增几个字节到十几个字节不等）。
这体现了命令行参数和环境变量在内存中是连续存储的，且位于栈的附近区域（0x7ffd…属于用户栈 / 参数区的地址范围），符合操作系统对程序启动参数的布局逻辑。

Q: 程序地址空间是内存吗？
A: 不是，是进程地址空间（虚拟地址空间），是系统的概念，而不是语言的概念。
验证一下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int gval = 100;int main()
{printf("父进程开始运行,pid: %d\n", getpid());pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id == 0){printf("子进程, pid: %d, ppidid: %d, gval: %d, &gval: %p\n", getpid(), getppid(), gval, &gval);// childwhile(1){sleep(1);gval+=10; // 修改printf("子进程, pid: %d, ppidid: %d, gval: %d, &gval: %p\n", getpid(), getppid(), gval, &gval);}}else{//fatherwhile(1){sleep(1);printf("父进程, pid: %d, ppidid: %d, gval: %d, &gval: %p\n", getpid(), getppid(), gval, &gval);}}return 0；
}

这段代码会发生写时拷贝，因为进程具有独立性。
在这里插入图片描述
Q: 但明明访问的是同一个gval，而且是同一个地址的gval，为什么会显示出不同的值呢？
A: 说明访问的地址根本就不是内存物理地址，而是虚拟地址。

2. 虚拟地址

在这里插入图片描述

2.1 概念

一个进程一个虚拟地址空间。

虚拟地址空间对应的宽度为一字节。
32位地址总有2³²个地址，共4GB 。
64位地址总有2⁶⁴个地址，共4GB 。
4GB 分为3GB的用户空间和1GB的内核空间，其中用户空间拿着地址就可以直接访问。

一个进程一个页表。

在创建一个变量时，变量在内存上存在一份，在虚拟地址上也存在一份。
页表的左侧填写的虚拟地址，右侧填写内存的物理地址。
页表是用来做虚拟地址和物理地址的映射。

子进程也有自己的页表。

子进程的页表也拷贝自父进程。发生的是简单的浅拷贝。
当子进程对数据进行修改时，操作系统介入，重新开辟一块物理地址给子进程，重新填写页表，但是虚拟地址没有发生改变，这就导致我们看到的实验结果，明明地址一样，却出现不同的值。这就叫做写时拷贝。

用户是看不到物理地址的，操作系统将物理地址隐藏起来了。

2.2 虚拟地址与进程地址空间

虚拟地址最大的意义是：操作系统让每一个进程都认为自己在独占物理内存。是画大饼的操作。
在这里插入图片描述

Q: 操作系统给每个进程一个虚拟地址空间，让其认为自己独占物理内存，但实际不是这样，在系统上，可能同时运行多个进程，并且物理地址只有固定的大小。那么操作系统是不是应该将虚拟地址管理起来呢？如果要管理，应该怎么管理？
A: 先描述，再组织。（简直是六字真言）
所以！虚拟地址空间本质就是一个数据结构，结构体变量：mm_struct

2.3 区域划分与 mm_struct

现在我们知道，虚拟内存被划分为很多区域，这一操作叫做区域划分。而区域划分的关键就是记录地址空间的开始和结束。另一方面要做调整区域的操作，本质上就是调整开始和结束。
描述linux下进程的地址空间的所有的信息的结构体是mm_struct。每个进程只有⼀个mm_struct结构，在每个进程的task_struct结构中，有⼀个指向该进程的mm_struct结构体指针。

struct task_struct{/*...*/struct mm_struct  *mm;              struct mm_struct  *active_mm;              
/*...*/}

struct mm_struct
{/*...*/struct vm_area_struct *mmap;   /* 指向虚拟区间（VMA）链表*/        struct rb_root mm_rb;          /* red_black树 */            unsigned long task_size;       /*具有该结构体的进程的虚拟地址空间的⼤⼩*/    // 代码段、数据段、堆栈段、参数段及环境段的起始和结束地址。unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;unsigned long start_brk, brk, start_stack;unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;/*...*/
}

由此我们知道了，当加载一个进程时，操作系统在虚拟地址空间中申请指定大小的空间（调整区域划分），然后将程序加载内存上，在内存上申请物理空间，最后进行页表映射。物理地址转换成虚拟地址，虚拟地址供上层使用。

2.4 虚拟地址空间的意义

Q: 为什么要有虚拟地址空间？

A:

将地址无序变有序，提升内存利用率。
虚拟地址转换成物理地址，是由操作系统（实际上是硬件）查找页表的映射。
页表中还有权限管理，在地址转换的过程中，可以对地址和操作的合法性判定，由此实现对物理内存的保护。
实现缺页中断机制，动态加载进程数据。
实现进程管理和内存管理一定程度的解耦合。

看个例子：

int main()
{char *str = "hello world";*str = H;return 0;
}

以上代码可以通过编译器编译，但是在运行的时候就会崩溃。
原因是： str为字符串常量，在编译时被硬编译在代码区和初始化数据区之间，因此在页表中就只有读权限，所以在执行第二行代码时，映射页表的过程中，发生权限拦截。

2.5 一些问题

我们可以不加载程序的代码和数据，只有task_struct, mm_struct, 页表。（通过缺页中断处理）
创建进程时现有task_struct, mm_struct, 等，再有代码和数据。
理解进程阻塞挂起，操作系统将进程页表的物理地址清空，再将数据唤出到磁盘上，保留虚拟地址，实现挂起。

2.6 堆区

Q: 我在写代码时，动态申请地址，是在堆区上开辟的，那为什么堆区是一整块儿的地址？不止一个堆吧？
A: 是的，存在vm_area_struct *mmap链表，来管理堆区，记录每一个堆的开始与结束。
在这里插入图片描述
实际上，每一个区域都有vm_area_struct ，用来表示该区域的开始和结束。