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1 代碼感受

在正式講程序[地址空間]前我們先來(lái)看一段簡(jiǎn)單的代碼來(lái)分析分析：

?

??1?#include
??2?#include
??3?using?namespace?std;
??4?
??5?int?g_val=100;
??6?
??7?int?main()
??8?{
??9???pid_t?id=fork();
?10???if(id==0)
?11???{
?12?????//child
?13????while(true)
?14????{
?15?????cout<<"我是一個(gè)子進(jìn)程，我的pid是："<

	?

	大家可以自己先分析一下結(jié)果。

	我們來(lái)運(yùn)行一下結(jié)果：

	

	大家看前面幾行可能就會(huì)立馬發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：我們定義的 g_val 是全局變量，當(dāng)子進(jìn)程修改 g_val 的值時(shí)我們發(fā)現(xiàn)父進(jìn)程的 g_val 是不受影響的，那么說(shuō)明父子進(jìn)程所用的 g_val 并不是同一個(gè)變量（這個(gè)很好理解，之前的我們說(shuō)過(guò)父子進(jìn)程是相互獨(dú)立的，互相不受干擾的），但是問(wèn)題出現(xiàn)在最后一列，我們驚奇的發(fā)現(xiàn)居然父子進(jìn)程的 g_val 變量的地址居然是相同的，前面不是說(shuō)父子進(jìn)程的 g_val 不是同一個(gè)變量嗎？這里為啥打印出來(lái)的地址會(huì)是相同的呢？

	這里就說(shuō)明我們打印出來(lái)的地址并不是真正的[物理地址]，我們語(yǔ)言層面打印出的地址叫做虛擬地址或者線性地址。我們?cè)谟肅/C++語(yǔ)言所看到的地址，全部都是虛擬地址！而物理地址，用戶一概看不到，由OS統(tǒng)一管理 。OS必須負(fù)責(zé)將虛擬地址轉(zhuǎn)化成物理地址。

	2 進(jìn)程地址空間

	首先我們來(lái)講一個(gè)故事：從前有一個(gè)企業(yè)家很有錢，他的家產(chǎn)大概有一億美金左右的樣子。他有 4 個(gè)私生子，并且這四個(gè)私生子互相并不知道對(duì)方的存在。第一個(gè)私生子是個(gè)學(xué)霸，在國(guó)內(nèi)頂尖學(xué)校上學(xué)，這個(gè)富豪便對(duì)他說(shuō)，你要好好讀書，將來(lái)我這一億美金全部都是你的；第二個(gè)私生子是一個(gè)三線演員，富豪便對(duì)他說(shuō)，我?guī)湍愦蜷_(kāi)你紅的渠道，你不要辜負(fù)了我對(duì)你的期望，好好努力，將來(lái)我這一億美金都是你的；第 3 個(gè)私生子是個(gè)女兒，當(dāng)?shù)氖切W(xué)老師，富豪便對(duì)他說(shuō)，你也不用太過(guò)努力工作，我就你這一個(gè)女兒，等我老了這一億美金就是你的了；第四個(gè)私生子是一個(gè)初中的小混混，富豪對(duì)他說(shuō)，你只要好好聽(tīng)我的話，這一億美金就是你的了。

	富豪給每個(gè)私生子都做出了承諾要將一億美金給他們，但是實(shí)際富豪并沒(méi)有那么多的錢給每個(gè)私生子一億美金，而這一億美金就是富豪給私生子們畫的一張大餅，但是它的私生子們卻信以為真。

	?

	那這個(gè)故事與我們講的知識(shí)有什么關(guān)系呢？其實(shí)操作系統(tǒng)就是那個(gè)富豪，私生子們就是一個(gè)一個(gè)的進(jìn)程，而那一億美金就是進(jìn)程地址空間。

	PS: 我們?cè)谏钪幸M量少畫餅。

	?

	操作系統(tǒng)給進(jìn)程畫了一張大餅，操作系統(tǒng)的資源是有限的，所以他就得要好好的把這張餅給管理起來(lái)，不讓這些進(jìn)程亂來(lái)，而如何管理呢？

	那就要先描述，再組織，Linux 中用的是一種叫做 mm_struct 的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理的。

	我們來(lái)用一張圖帶大家來(lái)看看程序地址空間：

	

	這張圖相信大家多多少少也不會(huì)陌生，在 C 語(yǔ)言的學(xué)習(xí)中我們也見(jiàn)到了很多次。

	那么程序地址空間如何編碼的呢？（32 位的平臺(tái)下[虛擬地址]空間大概是 4GB)

	ps: 下面圖每個(gè)小空格代表著一個(gè)字節(jié)。

	

	所以從這里我們也不難看出為啥虛擬地址也叫做線性地址。那么我們究竟是如何管理虛擬地址空間的每個(gè)區(qū)的呢？

	我們可以用下面這種方式來(lái)描述管理：

	?
struct?mm_struct
{
long?code?_start;
long?code?_end;
long?init?_start;
long?init?_end;
…………
long?brk?_start;
long?brk?_end;
long?stack?_start;
long?stack?_end;
}


	?

	而_start 和_end 限定的區(qū)域就是叫做虛擬地址（線性地址）

	那么問(wèn)題來(lái)了，既然上面我們講了那么多虛擬地址，真正的物理地址又在哪里呢？

	我們畫一個(gè)圖方便大家理解：

	

	通過(guò)這張圖大家并不難發(fā)現(xiàn)，我們?cè)谡Z(yǔ)言層面上的地址是地址空間的虛擬地址，而虛擬地址要與物理地址建立映射，就需要一張頁(yè)表（頁(yè)表的工作原理我們將放到后面來(lái)講）。

	我們?cè)趯W(xué)習(xí) C 語(yǔ)言時(shí)大家在書上看到這樣的一句代碼：const char* str="hello world";

	這時(shí)書上會(huì)告訴大家這句 str 指向的內(nèi)容是只讀的，不可修改的，但是這時(shí)為什么呢？這時(shí)我們就可以自己來(lái)分析分析：str 指向的內(nèi)容是在常量字符區(qū)，當(dāng)常量字符區(qū)通過(guò)頁(yè)表與物理地址建立映射時(shí)在頁(yè)表中就將該數(shù)據(jù)設(shè)置為只讀，當(dāng)我們后續(xù)有修改操作時(shí)就會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。

	有了上面的基礎(chǔ)我們就可以來(lái)解釋解釋為啥開(kāi)頭我們的 g_val 是同一個(gè)地址，但是指向的內(nèi)容卻不相同的問(wèn)題了：

	

	當(dāng)不修改數(shù)據(jù)時(shí)就不會(huì)發(fā)生寫時(shí)拷貝，父子進(jìn)程指向的是同一塊物理空間 (為了節(jié)約資源)；當(dāng)要修改數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)發(fā)生寫時(shí)拷貝，父子進(jìn)程指向的是不同的物理空間，但是虛擬地址空間是相等的。

	我們?cè)賮?lái)回答為啥 fork 會(huì)有兩個(gè)返回值的問(wèn)題就很容易了，就是因?yàn)楦缸舆M(jìn)程的返回值是不同的，所以肯定會(huì)發(fā)生寫時(shí)拷貝將不同的返回值用相同的虛擬地址來(lái)進(jìn)行返回，雖然虛擬地址是相同的，但是他們通過(guò)頁(yè)表建立映射的關(guān)系卻是不一樣的。

	到目前為止，程序地址空間的基本內(nèi)容已經(jīng) ok, 接下來(lái)給出一些擴(kuò)展。

	3 擴(kuò)展

	首先引出一個(gè)問(wèn)題：假如沒(méi)有程序地址空間，OS 是如何工作的？

	我們知道如果沒(méi)有了地址空間，那么 cpu 將直接跟物理地址打交道，這樣做的后果是什么？

	我們不難知道假如 cpu 直接跟物理地址打交道的話那么當(dāng)我們從 cpu 中讀到非法地址時(shí)那就壞了，通過(guò)非法地址將我們程序中其他變量的值給修改了那不就扯淡了嗎。所以我們要通過(guò)一層屏障來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，而這一層保護(hù)就是通過(guò)程序地址空間來(lái)進(jìn)行的，當(dāng)我們?cè)L問(wèn)的數(shù)據(jù)非法時(shí)通過(guò)頁(yè)表的映射就會(huì)拒絕你的非法操作。

	所以我們得出了程序地址空間的第一個(gè)好處：防止地址隨意訪問(wèn)，保護(hù)物理內(nèi)存和其他進(jìn)程。

	在向大家提出一個(gè)小問(wèn)題：當(dāng)我們?cè)诙焉?new 空間時(shí) OS 是立馬就把空間給你，還是等你需要的時(shí)候再給你？

	這個(gè)問(wèn)題大家應(yīng)該都能夠答對(duì)，與我們想得一樣，OS 會(huì)在我們需要該空間的時(shí)候再去在堆上申請(qǐng)。

	

	而頁(yè)表暫時(shí)沒(méi)有與物理內(nèi)存建立映射關(guān)系稱作頁(yè)表中斷，當(dāng)我們需要空間的時(shí)候再與 · 物理內(nèi)存建立映射。大家從這張圖看出來(lái)沒(méi)有，當(dāng)我們通過(guò)頁(yè)表建立映射時(shí)將進(jìn)程管理與內(nèi)存管理給解耦合了。我進(jìn)程管理不需要關(guān)心你是怎樣在內(nèi)存上申請(qǐng)空間的，內(nèi)存管理也不需要關(guān)心進(jìn)程是如何管理起來(lái)的，這樣下來(lái)維護(hù)成本就會(huì)變得更低，維護(hù)效率會(huì)更加高效一些。

	所以我們得出了程序地址空間的第二個(gè)好處：將進(jìn)程管理與內(nèi)存管理進(jìn)行解耦合。

	再提出一個(gè)問(wèn)題：程序在被編譯的時(shí)候沒(méi)有被加載到內(nèi)存，那么程序內(nèi)有沒(méi)有地址呢？

	答案是有的。源代碼再被編譯的時(shí)候就是按照虛擬地址空間的方式將對(duì)應(yīng)的代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，編譯器也會(huì)遵守虛擬地址的規(guī)則。

	當(dāng)我們把程序加載到內(nèi)存，程序里保存的地址（虛擬地址，并不是程序本身在內(nèi)存中的物理地址) 就會(huì)被 cpu 讀取, cpu 通過(guò)虛擬地址找到對(duì)應(yīng)的虛擬地址空間，然后虛擬地址空間又通過(guò)頁(yè)表映射到物理內(nèi)存中，這樣就將程序的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)給聯(lián)系起來(lái)了。

	所以我們得出了程序地址空間的第三個(gè)好處：可以讓進(jìn)程以統(tǒng)一的視角看待自己的代碼和數(shù)據(jù)。

	　　審核編輯：湯梓紅