【Linux-14】进程地址空间＆虚拟空间＆页表——原理＆知识点详解

本文主要是介绍【Linux-14】进程地址空间＆虚拟空间＆页表——原理＆知识点详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前言

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一.什么是进程地址空间？

1.进程地址空间基本概念

1. 每一个 进程 运行之后，都会有一个进程地址空间 的存在
2. 进程地址空间是操作系统OS 给进程花的大饼 ， 欺骗进程他有足够的空间用——使每个进程都认为自己独占系统内存资源。（即虚拟空间）
3. 结论：进程地址空间并不是物理内存，而是 虚拟内存 的一部分（虚拟地址，不具备存储能力）

• 进程地址空间本质上是一种 抽象概念 ，用于描述进程如何看待和使用内存。

4. 每个进程都有自己的内存地址范围，这样就不会与其他进程发生冲突。进程地址空间通常被划分为几个部分，包括代码段、数据段、堆和栈等，每个部分都有其特定的用途。
   

2.mm_struct 基本概念

1. 进程地址空间需要被操作系统OS 管理 起来，每一个进程都有地址空间，需要 被先描述再组织 ，因此地址空间是一个内核的 数据结构（内核结构体） ，即我们接下来要提到的 mm_struct
2. 先描述再组织原理博客：【Linux】程序员一定要了解的计算机管理理念——描述与组织（9）

3.mm_struct/进程地址空间 实现“区域划分”的原理

1. mm_struct 及其实现区域划分的原理： 对一段线性空间设置start与end

• 我们在这里举个例子：小胖和小花同学要对座位进行“区域划分”，我们 从计算机语言角度如何实现呢？
  

• 如下所示，我们通过将其 描述成结构体， 对一段线性空间设置start与end，实现了区域划分

struct destop_area
{int total size;int xiaopang_start;int xiaopang_end;int xiaohua start;int xiaohua end;
}struct destop_area area={100,0,50,50,100};

• 我们打开linux内核结构体源码，也可以找到证明
  

二.什么是页表？

1.页表基本概念

• 引入：进程地址空间即虚拟地址，不具备存储能力

1. 因此操作系统OS会对每个进程维护一张 映射表， 对应着虚拟地址和物理地址 ，这就是 页表
2. 页表是一种特殊的数据结构，它位于系统空间的页表区
3. 页表还具有 权限控制 的功能，可以通过设置页表项的 权限位，实现对内存的读、写、执行等操作的控制。
   

2.进程是如何和“页表”进行联系?

• 进程各种访问寻址的前提， 一定是它在cpu上运行
• cpu上有个 特殊寄存器cr3 ，他会保存页表地址，物理地址（页表地址会保存在进程的上下文当中）
  

3.每个进程都有页表，页表在“进程切换”如何跟踪

根据第二小点内容：

• 答： 经过cpu后，页表地址加载到上下文中保存好， 一起切换
• 原理：进程切换时，地址也会被保存。

三.地址空间＆页表的作用机理

1.地址空间＆页表的基本原理

• 如图：
• 页表的主要作用是将虚拟地址空间映射到物理内存空间，实现虚拟地址到物理地址的转换。
  

2.【页表实验1】探究为什么一对父子进程，同样虚拟地址，读取数据不同？（OS对页表的调整）

• 我们经过fork，子进程经过写时拷贝会将页表 完整拷贝 下来一份
  （写时拷贝博客：【C++】STL容器——【深浅拷贝】与【写时拷贝】对比详解（拷贝构造）（10））
• 因为 进程具有独立性 ，我们进行写入操作时，我们无法通过子进程修改父进程（对应同一块物理内存）
  
• 于是，操作系统会单独给子进程开辟一块新的物理地址
  

3.【页表实验2】为什么可执行程序中有大量代码和数据，加载到内存任意位置都可以，不用考虑顺序位置（页表映射功能）

• 答：地址空间，以无序变有序——是加载到内存任意位置都可以，不用考虑顺序位置， 因为都会被页表映射
• 【减小内存管理成本，没有页表每次都要变化pcb】

• 分析：进程地址空间， 让进程以统一的视角看待内存
• 一个进程，可以通过地址空间+页表可以将 乱序/乱序 的内存数据，变成 有序 ，分门别类的规划好！

4.【页表实验3】为什么字符常量区不可被修改？它曾经是如何被修改的？（页表的权限控制功能）

• 我们运行下面所示程序，程序会崩溃

int main()
{char *str= “hello Linux”;   //常量区曾经是如何被修改的？*str= 'H';   //常量区不可被修改return 0;
}

• 核心原理：页表还具有 权限控制 的功能，可以通过设置页表项的 权限位，实现对内存的读、写、执行等操作的控制。
  

问：为什么程序会崩溃？

• 答：语言程度上：字符常量区不可被修改
• 答：进程地址空间上： 页表权限设置 只读 ，所以不可被修改

问：曾经又是如何被加载的？

• 答：进程地址空间上： 页表权限设置 可读写 ，所以可以被修改

5.【页表实验4】一个游戏的大小远比内存大，他在内存中如何加载呢？（页表如何实现linux挂起状态）

• 系统并不需要全部将其加载到内存中，加载一部分/不加载，需要时加载
• 其中涉及到挂起状态

页表如何实现linux挂起状态?

• 页表中有一个字段， 标志内存是否要分配空间 && 有内容
• 例如：00 01 11 10 二进制形式来表示【是否分配&& 有内容】
• 页表实现linux挂起状态
• 把原来的11状态变成00状态
  

6.【页表实验5】缺页中断（进程地址空间建立“进程管理”与“内存管理”的联系）【全流程配图详解】（重点）

全流程讲解：

1. 当前有个进程开始访问，通过cpu得到了页表的地址，访问页表，想找到物理地址
2. 此时页表并没有物理地址，属于缺页；于是进入暂停状态

• 假设此时状态为下图
  

3. 这时操作系统就把磁盘中的程序加载到内存中，并把物理地址填入缺失的页中
   
4. 此时属于"已分配(物理地址)"状态，标志位置1
   

• 结论：进程地址空间建立进程管理与内存管理的联系

这篇关于【Linux-14】进程地址空间＆虚拟空间＆页表——原理＆知识点详解的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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