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一、前言
本文我们将对进程中的地址空间和页表进行详细的讲解！
二、正文
1.地址空间的概念
在C/C++语言的学习中，我们经常会听到有人谈论起内存中地址的相关概念，其实在Linux中确切的概念叫做进程地址空间，对于每一个进程而言，都有其对应的进程地址空间，其内大致空间分布如下图：
上面的栈区，堆区，代码区，常量区，相信小伙伴们一定耳熟能详了，对于栈是向下生长，堆是向上生长，并且图中这几个区域的地址分布也是有规律的，从最下面的正文代码，初始化数据，未初始化的数据一直到栈，命令行参数，他们的地址分布是从低到高的，但是我们只是听闻是这样，下面让我们来验证一下。
- 1 #include
- 2 #include
- 3 #include
- 4 #include
- 5
- 6 int g_val1=100;
- 7 int g_val2;
- 8 int main()
- 9 {
- 10 printf("code addr:%p\n",main);
- 11 const char *str="hello world";
- 12 printf("read only string addr:%p\n",str);
- 13 printf("init global value addr:%p\n",&g_val1);
- 14 printf("uninit global value addr:%p\n",&g_val2);
- 15 char *mem1=(char*)malloc(100);
- 16 char *mem2=(char*)malloc(100);
- 17 char *mem3=(char*)malloc(100);
- 18 printf("m1 heap addr:%p\n",mem1);
- 19 printf("m2 heap addr:%p\n",mem2);
- 20 printf("m3 heap addr:%p\n",mem3);
- 21 printf("stack addr:%p\n",&str);
- 22 int a;
- 23 int b;
- 24 int c;
- 25 printf("a stack addr:%p\n",&a);
- 26 printf("b stack addr:%p\n",&b);
- 27 printf("c stack addr:%p\n",&c);
- 28 return 0;
- 29 }
- 30
上面只是地址空间的大概划分，那么什么叫做地址空间，所谓的地址空间，本质是一个猫叔进程可视范围的大小，地址空间内一定要存在各种区域划分，即对线性地址进行start和end即可
2.地址空间的意义
那么为什么要有地址空间呢，也就是它存在的意义是什么？
其一是让进程以统一的视角看待内存，因为有了地址空间的存在，进程无需再管实际分配的物理地址在物理内存是怎样的一个分布，在进程看来都只有一个CPU分配的地址空间，进程直接使用它就可以了。
其二是增加进程虚拟地址空间可以让我们访问内存的时候，增加一个转换的过程，在这个转换的过程中，可以对我们的寻址请求进行审查，所以一旦异常访问，直接拦截，该请求不会到达物理内存，保护物理内存。就说我们是小孩子的时候，父母总会要求我们将压岁钱交给他们管理，当我们想要买东西的时候找他们拿即可，如果我们买一个10元的文具盒，父母会给我们10元，但是我们想买一个200元的游戏机，父母可能就会以好好学习为由阻止我们的请求，与这个道理是类似的。
其三就是有了地址空间和页表的存在，就可以将进程管理模块和内存管理模块进行解耦合，因为在进程看来它只需要处理虚拟地址即可，无需关注内存是如何存放和处理代码和数据的。
3.页表
在讲解页表之前，我们先来回顾之前创建子进程的一个小尾巴，就是当我们在folk创建一个子进程时，当时我们发现falk函数的返回值在父子进程的值是不一样的，子进程为0，父进程为创建子进程的id，那么这到底是怎么实现的，让我们我们先来看看下面这几段代码的结果
- 1 #include
- 2 #include
- 3 #include
- 4 #include
- 5
- 6 int g_val=100;
- 7 int main()
- 8 {
- 9 pid_t id=fork();
- 10 if(id==0)
- 11 {
- 12 int cnt=5;
- 13 //子进程
- 14 while(1)
- 15 {
- 16 printf("I'm a child, pid: %d, ppid: %d, g_val: %d, &g_val: %p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
- 17 sleep(1);
- 18 }
- 19 }
- 20 else
- 21 {
- 22 //父进程
- 23 while(1)
- 24 {
- 25 printf("I'm a parent, pid: %d, ppid: %d, g_val: %d, &g_val: %p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
- 26 sleep(1);
- 27 }
- 28 }
- 29 return 0;
- 30 }
上面这一段代码中，我们在父子进程中分别打印g_val的值和地址，我们发现两者是一模一样的，这也和我们对子进程会对父进程的资源进行继承的认知是相符合的，但是当我们对该值进行修改，结果又会如何呢？
- pid_t id=fork();
- 10 if(id==0)
- 11 {
- 12 int cnt=5;
- 13 //子进程
- 14 while(1)
- 15 {
- 16 printf("I'm a child, pid: %d, ppid: %d, g_val: %d, &g_val: %p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
- 17 sleep(1);
- 18 if(cnt) cnt--;
- 19 else
- 20 {
- 21 g_val=200;
- 22 printf("子进程chang:100->200\n");
- 23 }
- 24 }
- 25 }
- 26 else
- 27 {
- 28 //父进程
- 29 while(1)
- 30 {
- 31 printf("I'm a parent, pid: %d, ppid: %d, g_val: %d, &g_val: %p\n",getpid(),getppid(),g_val,&g_val);
- 32 sleep(1);
- 33 }
- 34 }
当我们在子进程中修改g_val的值的时候，按照我们的认识，这时候子进程应该对其进行写实拷贝，即深拷贝，那么这时候打印出来g_val的地址在父子进程中应该是不相同的，但是实际情况我们发现地址却依旧是相同的，但是他们的值确实不同的？
这也就说明了这个g_val的地址并不是实际的物理地址，而是一种线性地址，或者说常说的虚拟地址，那么到底是怎么做到虚拟地址相同的情况下，值确不一样，这就是涉及到页表了。
我们之前在讲解进程的时候，说到进程是由PCB和代码数据组成的，今天我们又可以进一步丰富进程的概念。进程是由PCB，程序地址空间，页表和存储在物理内存中的代码和数据组成的。
那么对于页表，首先我们先来了解什么是页表？简单来说，其由三部分组成，第一部分是虚拟地址，第二部分是虚拟地址对应到物理内存中的物理地址以及标志位，标志位即标定物理地址中存储数据是可读的还是可读写的，这也是为什么代码区和常量区的代码和数据我们不能修改的原因。
其次，我们再来了解页表的周边知识。一个是CPU中的cr3寄存器，该寄存器中存放的是页表的地址，也属于进程在硬件的上下文，因此在进行进程切换的时候，cr3寄存器中页表的地址也会被所属进程打包带走，方便下次再次执行进程时上下文的恢复。
再而是惰性加载，我们都知道对与一个很大的文件，操作系统有时候并不能一下子将这个文件的全部内容加载到磁盘上，往往是采取分批加载的方式，例如对于一个40G的文件，一次加载300M，或者是500M这样子。在了解加载这个过程后，那么什么是惰性加载呢，就是比如说操作系统在加载一个进程的时候，它可以一下子加载说500M的代码和数据，但是它并不会这样做，因为你进程本身可能一下子就跑5MB的代码或者用到的数据没那么多，如果对于每一个进程CPU都这样做的话就会极大的占据CPU的资源，因此它并不会一下子加载那么多，而是按需加载，即在需要时才加载资源或对象，而不是在程序启动时立即加载所有资源。这种技术可以有效减少初始开销，提高应用性能和用户体验。
最后就是缺页中断，其定义是是指在执行指令时，所需访问的页面不在内存中，导致中断当前指令的执行，并从外存（如硬盘）中加载所需页面到内存的过程。缺页中断是分页存储中的一种常见现象，主要发生在虚拟内存系统中。那么在进程中，就是说当一个进程在创建的时候，其实是先创建内核的数据结构，即地址空间，页表等，这时候页表中可能会有虚拟地址，但是实际的物理地址还并没有分配，只有当你这个进程开始执行的时候，用到哪些代码和资源，再触发缺页中断，为页表分配物理地址。
4.总结和思考
通过对地址空间和页表的学习，我们更一步的深入的对进程的了解，进程是由内核数据结构（task_struct && mm_struct && 页表）+程序的代码和数组组成的。
最后，看完本文，小伙伴们能不能解决一下几个问题呢：
①地址空间的概念
②地址空间的意义
③如何做到让代码和字符常量区是只读的
④惰性加载的概念
⑤什么是缺页中断
三、结语
到此为止，本文有关地址空间和页表的讲解就到此结束了，如有不足之处，欢迎小伙伴们指出呀！
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