一、程序地址空间回顾

在学习 C/C++ 时，我们知道内存会被分为几个区域：栈区、堆区、全局/静态区、代码区、字符常量区等。但这仅仅是在语言层面上的理解，是远远不够的。

如下空间布局图，请问这是物理内存吗？

不是，下图是进程地址空间。

// checkarea.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // malloc

int g_unval;    // 未初始化数据区
int g_val = 10; // 已初始化数据区

int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
    printf("code addr        : %p\n", main); // 代码区

    printf("\n");
    const char *p = "hello";
    printf("read only        : %p\n", p);    // 字符常量区（只读）

    printf("\n");
    printf("global val       : %p\n", &g_val);   // 已初始化数据区
    printf("global uninit val: %p\n", &g_unval); // 未初始化数据区

    printf("\n");
    char *phead = (char*)malloc(1);
    printf("head addr        : %p\n", phead);  // 堆区（向上增长）

    printf("\n");
    printf("stack addr       : %p\n", &p);     // 栈区（向下增长）
    printf("stack addr       : %p\n", &phead); // 栈区

    printf("\n");
    printf("arguments addr   : %p\n", argv[0]);        // 命令行参数（第一个参数）
    printf("arguments addr   : %p\n", argv[argc-1]); // 命令行参数（最后一个参数）

    printf("\n");
    printf("environ addr     : %p\n", env[0]);         // 环境变量

    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> // getpid
#include <unistd.h>    // getpid, fork
#include <stdlib.h>    // perror

int g_val = 0; // 全局变量

int main()
{
    printf("before creating a new process, g_val = %d\n", g_val);

    pid_t ret = fork();
    if (ret == 0)
    {
        // child process
        printf(" child - pid: %u, g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else if (ret > 0)
    {
        // father process
        printf("father - pid: %u, g_val: %d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else
    {
        perror("fork");
    }  

    return 0;
}

before creating a new process, g_val = 0
father - pid: 23014, g_val: 0, &g_val: 0x601058
 child - pid: 23015, g_val: 0, &g_val: 0x601058

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> // getpid
#include <unistd.h>    // getpid, fork, sleep
#include <stdlib.h>    // perror

int g_val = 0; // 全局变量

int main()
{
    printf("before creating a new process, g_val = %d\n", g_val);

    pid_t ret = fork();
    if (ret == 0)
    {
        // child process
        g_val = 100; // 在子进程中对变量进行修改
        printf(" child - pid: %u, g_val: %-3d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else if (ret > 0)
    {
        // father process
        sleep(3); // 父进程休眠，子进程一定会先退出，让父进程读取变量值和变量地址
        printf("father - pid: %u, g_val: %-3d, &g_val: %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else
    {
        perror("fork");
    }  

    return 0;
}

before creating a new process, g_val = 0
 child - pid: 25270, g_val: 100, &g_val: 0x601058  # 子进程先退出
father - pid: 25269, g_val: 0  , &g_val: 0x601058  # 父进程休眠3s后退出

注意：程序的代码和数据一定是存在物理内存上的。

因为想要运行程序就必须先将代码和数据加载到物理内存中，所以需要操作系统负责将虚拟地址转化成物理地址。

上图说明：同一个变量打印的地址相同，其实是虚拟地址相同，而内容不同，其实是被映射到了不同的物理地址处。

四、理解地址空间

1、举例

假设有一个富豪，他有 10 亿美元的家产，而他有 3 个私生子，但这 3 个私生子彼此之间并不知道对方的存在。这个富豪对他的每个私生子都说过同一句话：“儿子，这 10 亿的家产未来都是你的”。站在每个私生子的视角来看，每个私生子都认为自己可以拥有 10 亿美元。

如果每个私生子都找父亲一次性要 10 个亿，那么这个富豪是拿不出来的。但实际上这是不可能的，每个私生子找父亲要钱，一般只会几千几万这样一点点去要，那么这个富豪只要有，就一定会给。而如果私生子要的钱太多，富豪不给，私生子也只会认为是父亲不想给。换而言之，这个富豪给每个私生子在大脑中建立一个虚拟的概念：都认为自己拥有 10 亿美元。

类比到计算机中：

• 富豪 —— 操作系统
• 私生子 —— 进程
• 富豪给私生子画的 10 亿家产的饼 —— 进程的地址空间

通过上述例子，可以得出结论：

• 操作系统默认会给每个进程构建一个地址空间的概念（比如在 32 位下，把物理内存资源抽象成了从 0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF 共 4G 的一个线性的虚拟地址空间）
• 假设系统中有 10 个进程，每个进程都会认为自己有 4G 的物理内存资源。（这里可以理解成 OS 在画大饼）

2、认识地址空间

• 在 Linux 中，地址空间其实是内核中的一种数据结构。
• 在 Linux 中，OS 除了会为每个进程创建对应的 PCB（即 struct task_struct 结构体），还会创建对应的进程地址空间，即内核中的 struct mm_struct 结构体。

空间的本质无非就是多个区域（栈、堆…）的集合。

那么在 struct mm_struct 结构体中，OS 是如何表述（划分）这些区域的呢？

定义 start 和 end 变量来表示每个区域起始和结束的虚拟地址。然后通过设置这些 start 和 end 的值，对抽象出的这个线性的虚拟地址空间（在 32 位下，是从 0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF 共 4G）进行区域划分。

struct mm_struct {
    // ...
    
    unsigned long code_start;   // 代码区起始虚拟地址，比如 0x10000000h
    unsigned long code_end;     // 代码区结束虚拟地址，比如 0x00001111h
    
    unsigned long init_start;   // 已初始化数据区
    unsigned long init_end;
    
    unsigned long uninit_start; // 未初始化数据区
    unsigned long uninit_end;
    
    unsigned long heap_start;   // 堆区
    unsigned long heap_end;
    
    // ...
};

3、什么是地址空间

进程地址空间：

地址空间究竟是什么？

地址空间的本质：操作系统让进程看待物理内存的方式，这是抽象出来的一个概念。地址空间是内核中的一种数据结构，即 struct mm_struct 结构体。由 OS 给每个进程创建，这样每个进程都认为自己独占系统内存资源。

划分区域的本质：把线性的地址空间划分成了一个个的区域，通过设置结构体内的 start 和 end 的值来表示区域的起始和结束。（比如栈区和堆区的增长）

为什么要进行区域划分呢？

1. 可以通过 [start, end] 进行初步判断访问某个虚拟地址时，是否越界访问了。
2. 因为可执行程序在磁盘中是被划分成一个个的区域存储起来的，所以进程的地址空间才有了区域划分这样的概念，方便进程找到代码和数据。

• 虚拟地址的本质：每个区域 [start, end] 之间的各个地址就是虚拟地址，之间的虚拟地址是连续的。

五、地址空间和物理内存之间的关系

虚拟地址和物理地址之间是通过页表来完成映射的。

六、存在地址空间的原因

直接让进程去访问物理内存不行吗？

• 早期，操作系统是没有进程地址空间的，这就导致物理内存暴露，恶意程序可以直接通过物理地址来进行内存数据的读取，甚至篡改。
• 后来，随着操作系统的发展迭代，有了进程地址空间（虚拟地址），由操作系统完成虚拟地址和物理地址之间的转化。

为什么还要存在地址空间呢？

（1）有效的保护物理内存。

因为地址空间和页表是 OS 创建并维护的，也就意味着凡是想使用地址空间和页表进行映射，也就一定要在 OS 的监督之下来进行访问，也保护了物理内存中的所有合法数据，包括各个进程，以及内核的相关有效数据。

在进程内不能非法访问或映射，因为 OS 会进行合法性检测，如果非法则终止进程。

• 通过划分区域中虚拟地址的起始和结束（即 start 和 end 的值）来判断当前访问的地址是否合法。

比如：如果用户想在某个虚拟地址处写入，但检测到该虚拟地址在字符常量区的 start 到 end 之间，而字符常量区是只读的，说明非法越界访问了，OS 会直接终止进程。

char *str = "hello world";
*str = 'H'; // error

---

• 通过页表中的权限属性，来判断当前访问的地址是否合法。页表完成了虚拟地址到物理地址之间的映射，而页表中除了有基本的映射关系之外，还可以进行读写等权限相关的管理。

比如：如果用户想在某个虚拟地址处写入，通过页表进行虚拟地址到物理地址的转换时，发现该地址处只有读权限，说明非法访问了，页表拒绝转换，OS 直接终止进程。

（2）将内存管理模块和进程管理模块在系统层面上进行解耦合。 

操作系统的核心功能：内存管理、进程管理、文件管理、驱动管理。

• 没有进程地址空间时，内存管理必须得知道所有的进程的生命状态（创建、退出等）才能为每个进程分配和释放相关内存资源。所以内存管理模块和进程管理模块是强耦合的。
• 而现在有了进程地址空间，内存管理只需要知道哪些内存区域（page）是被页表映射的（已使用），哪些是没有被页表映射的（未使用），不需要知道每个进程的生命状态。当进程管理想要申请内存资源时，让内存管理通过页表建立映射即可；想要释放内存资源时，通过页表取消映射即可。解耦的本质也就是减少模块与模块之间的关联性，所以就是将内存管理模块和进程管理模块进行解耦了。

在物理内存中，是否可以对未来的数据进行任意位置的加载？

可以。

物理内存的分配可以和进程的管理做到没有关系。

在 C/C++ 语言上 new/malloc 出一块新的空间时，本质是在哪里申请空间的呢？

 虚拟地址空间。

如果申请了空间，但不立马使用这块空间， 是不是对空间造成了浪费呢？

是的。

所以本质上，（因为有地址空间的存在，所以上层申请空间，缺页中断：其实是在地址空间上申请的，物理内存可以甚至一个字节都不给。而当我们真正进行对物理地址空间访问时，才执行内存的相关管理算法来申请内存，构建页表映射关系）然后再进行内存的访问。

括号内的部分完全由 OS 自动完成，用户，包括进程完全 0 感知。

• 在分配内存时采用延迟分配的策略来提高整机的效率。（几乎内存的有效使用率是 100%）

（3）通过页表映射到不同的有序区域来实现进程的独立性。

• 在进程的视角，所有的内存分别都可以是有序的。
• 让每个进程以同样的方式来看待代码和数据。（这样对于进程的设计是非常好的）

可执行程序，在磁盘中是被划分成一个个的区域存储起来的（比如代码 .txt、已初始化数据 .data、未初始化数据 .bss 等等）。

因为可执行程序形成时，有一个链接的过程，会把用户代码和库的代码合并在一起，把用户数据和库的数据合并在一起。否则可执行程序的代码和数据如果是混着存放在一起的，会导致链接过程变得很复杂。所以进程的地址空间才有了区域划分这样的概念，方便进程找到代码和数据。

分析：

如图，代码被零散的加载到了内存的各个位置。如果直接让进程去找到代码是非常困难的，尤其是找到代码的起始和结束位置。所以我们在进程的地址空间中划分出一个个区域，再通过页表把内存中的各个位置的代码给整合到一起，使代码的物理地址变成线性的虚拟地址了。然后进程通过其对应地址空间中的代码区（区域中虚拟地址是连续的）可以很方便的找到代码。同时 CPU 也方便执行代码（虚拟地址是连续的，这样 PC 指针才能进行加 1 的操作，得到下一条指今的地址，CPU 才能从上到下顺序执行指令）。

• 地址空间 + 页表的存在可以将内存分布有序化。
• 结合（2），进程要访问物理内存中的数据和代码，可能目前并没有在物理内存中。同样的，也可以让不同的进程映射到不同的物理内存，便很容易做到进程独立性的实现。
• 进程的独立性可以通过进程空间 + 页表的方式实现。

好处：

• 不用在物理内存中找一块连续的区域。
• 站在进程的角度，所有进程的代码（二进制指令）存放的区域，虚拟地址是连续的，可以被顺序执行。（即使物理内存上有可能不连续）

七、重新理解什么是挂起

进程和程序有什么区别呢？

• 加载的本质就是创建进程。

那么是否必须立刻将所有程序的代码和数据加载到内存中，并创建内核数据结构建立映射关系？

不是。

如果在最极端的情况下，只有内核结构被创建出来了（新建状态）。当真正被调度/执行代码时，才把外设加载内存里，然后再执行代码。

• 理论上，可以实现对程序的分批加载。

如果物理内存只有 4G，有一个游戏 16G，能否运行？

可以运行。

CPU 无论运行多大的程序，都需要从头到尾执行每一行指令。即使物理内存有 32G，也不会一次性把 16G 的程序加载进来（因为内存资源还需要分配给其它进程），而是采用延时加载。比如先加载 200M 进来，执行完了再覆盖式的加载 200M 进来，然后再执行。所以如果物理内存比较小，用户可能会感到游戏卡顿。

• 加载的本质就是换入的过程。

既然可以分批加载，那可以分批换出吗？

可以。

甚至这个进程短时间不会再被执行，比如挂起 / 阻塞。

• 也就相当于其对应的代码和数据占着空间却不创造价值，所以 OS 就可以将它换出，一旦被换出，那么此时这个进程就叫被挂起。

八、Linux2.6 内核进程调度队列

1、Linux2.6 内核中进程队列的数据结构