Linux基础4-进程5（程序地址空间详解）

上篇文章:Linux基础4-进程4（环境变量，命令行参数详解）-CSDN博客

本章重点：

1 重新理解c/c++地址空间

2 虚拟地址空间

一. c/c++地址空间

地址空间布局图:

运行下列代码，进行观察

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int global_value = 100;
int main()
{
  pid_t id = fork();
  if(id < 0)
  {
    printf("fork error!\n");
    return -1;
  }
  else if(id == 0) //子进程
  {
    int cnt = 0;
    while(1)
    {
      printf("子进程,pid:%d ppid:%d | global_value:%d,&global_value: %p\n",getpid(),getppid(),global_value,&global_value);
      sleep(1);
      cnt++;
      if(cnt == 10)
      {
        global_value = 1234;
        printf("子进程已经修改了全局变量！\n");
      }
    }
  }
  else 
  {
    //父进程
    while(1)
    {
      printf("父进程,pid:%d ppid:%d | global_value:%d,&global_value: %p\n",getpid(),getppid(),global_value,&global_value);
      sleep(2);
    }
  }
  return 0;
}

我们定义一个全局变量，创建父子进程。让他们打印各自的全局变量值和其地址，然后让子进程修改其全局变量，观察父子进程各自的全局变量和其地址

运行结果如下

可以看到，子进程修改全局变量后，父子进程全局变量的地址相同但是值却不相同！这是为什么呢？

地址没变：说明这里使用的地址不是物理地址，我们C语言所使用的地址不是物理地址而是虚拟地址（逻辑地址）

我们所打印出来的地址空间排布，都是虚拟地址。所以上面的地址分布图是虚拟地址空间

OS访问变量时候，必须要通过虚拟地址找到其物理地址才能访问

二. 理解虚拟地址空间

每一个进程都会认为自己占有所有的系统资源，每当需要的时候就向操作系统申请。

地址空间的本质：是内核中的一种数据结构 mm_struct。与PCB类似

struct mm_struct
{
    char* when;
    char* who;
    char* targrt;
    char* sum;
    ..
    ..
    ..
}

我们通过管理mm_struct进而管理每一个进程的虚拟地址空间。使用mm_struct描述每一个进程的虚拟地址，再用链表将其连接起来就能够管理

虚拟地址空间

1 地址空间描述的基本空间是字节

2 以32位操作系统为例，每一个虚拟地址空间具有 2^32 B = 4GB 个字节

3 每一个字节都代表唯一的地址，所以一共能够表示 2^32个地址

000000000 00000000 00000000 00000000

000000000 00000000 00000000 00000001

.

.

11111111 11111111 11111111 11111110

11111111 11111111 11111111 11111111

所以我们只需要用 2^32个数字用于表示每一个字节的区域即可

虚拟地址空间通过类似下列代码进行调整各区域的大小

struct mm_struct
{
  unit32_t code_start,code_end;    //代码区
  unit32_t data_start,data_end;    //常量区(数据段)
  unit32_t heap_start,heap_end;    //堆区
  unit32_t stack_start,stack_end;  //栈区
  // ......
};

//分配地址
*mm = malloc(struct mm_struct)
*mm->code_start=0x1111 1111    //区域的起始地址
*mm->code_end= 0x1211 1111     //区域的结束地址
//起始地址和结束地址的中间部分称为虚拟空间

*mm->data_start=0x1300 0000
*mm->data_end= 0x1400 0000

//堆栈区的调整，本质就是修改各个区域的start和end
//我们使用malloc new 申请堆空间，定义局部变量，函数调用-> 就是扩大堆栈区的空间
//函数调用完毕，free空间->就是缩小栈区，堆区空间

*mm->heap_start=0x1400 0001
*mm->heap_end= 0x1500 0000

*mm->stack_start=0x7ffff 7fff
*mm->stack_end= 0x8fff ffff

我们在PCB中定义一个指针指向 mm_struct，这样就能给进程分配进程地址空间