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预备知识

进程地址空间

什么是进程地址空间

为什么要存在进程地址空间和页表

缺页中断

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预备知识

我们在学习语言的时候，一般都会了解到内存区域划分，下面了解一下Linux的内存区域划分。

 通过上图，我们了解到

1、堆区向上增长，栈区向下增长。

2、环境变量和命令行参数，无论是表还是内容，都在栈区的上面。

3、先有命令行参数表，再有环境变量。

在Linux中，每次打印的地址都一样，windows每次访问地址都是随机的。而Linux是一样的。

静态变量只初始化一次(默认初始化)并不随函数的调用而释放，一般在初始化数据区域中。

从系统的角度来看，语言中定义的静态变量(不论是全局还是局部)已经是全局变量了，只是局部的静态变量受到作用域限制，本质上程序运行期间一直存在的，因为程序运行期间，代码和数据会一直伴随着。

进程地址空间

我们来看一个现象：

同一个地址，通过不同进程去访问得到两个不同的值。

说明这个地址是虚拟地址(线性地址)而非物理地址。

编程语言中的地址都是虚拟地址。

我们在学习语言时了解到的内存分区实际上不是内存，而是进程地址空间。

每一个进程都要有进程地址空间。

程序变为进程后，每一个进程都有进程地址空间，与语言无关。所有编译型语言都必须符合此规则(每个进程都要有进程地址空间)。

首先，我们解决一下这个问题：

通过研究发现，每一个进程在创建的时候，操作系统都要为其维护一个专属的进程地址空间，再通过一种哈希映射的思想维护一张表，用来将操作系统从进程处拿到的虚拟地址转化为物理地址，再通过物理地址去访问数据。

这样的设计方式，也可以解释为什么fork创建子进程后，为什么返回值可以让父子进程不同，本质是父子进程各自的映射表中，将同一个虚拟地址映射到两个不同的物理内存中去。

进程=task_struct+代码和数据

task_struct是每个进程独有的，代码是只读的，数据修改时可以写时拷贝，所以，进程是独立的。

什么是进程地址空间

进程地址空间本质就是特定的内核数据结构对象。

每一个进程都会拥有一个进程地址空间。

在32位操作系统下，进程地址空间的大小是[0，4GB]。

操作系统通过"先描述,再组织"的方式管理进程的地址空间。

进程地址空间本质就是数据结构节点，Linux中此节点名称为mm_struct。

mm_struct中记录该进程地址空间的字段，通过这些字段来做区域划分，管理每个区域的变化。

区域内的各个地址空间都可以使用。

代码和数据都存储在物理内存中，进程地址空间中的都是虚拟地址。

上述图中的哈希映射表称之为页表。

一个程序要运行时，首先创建PCB，处理好PCB内部信息，比如pid、优先级、进程地址空间。然后将代码和数据加载到内存中，操作系统要访问数据时，通过该进程的进程地址空间拿到虚拟地址，利用页表将虚拟地址转化为物理地址，通过物理地址拿到数据。

其中，CPU内部的CR3寄存器存储页表的物理地址，MMU硬件单元管理着整个映射地址、转换地址的工作。

为什么要存在进程地址空间和页表

1、将物理内存从无序变为有序，让进程以统一的视角看待内存。

2、将进程管理和内存管理解耦合

3、进程地址空间和页表组合的设计是保护内存安全的重要手段。

磁盘将可执行程序加载到内存中数据是不连续的。如果操作系统直接管理不连续的物理地址效率很低。所以我们将这个程序对应页表的虚拟地址设计成连续的，连续的虚拟地址映射到不连续的物理地址上，进程管理与内存管理之间没有关系，操作系统通过页表将虚拟-物理地址相互联系，所以我们管理连续的虚拟地址就管理了物理地址，提高了效率。

进程访问数据时，页表会帮我们检测访问数据地址的合法性，如果不合法或者转化物理地址失败，操作系统就会将此进程拦截，阻止该进程，甚至终止该进程。如：一旦访问野指针或越界，操作系统会终止该进程。但终止该进程不会影响到其他进程，因为是进程自己的页表拦截了自己。所以，页表不仅仅有地址转化的工作，还有检测访问合法地址的机制。

缺页中断

我们申请内存时，可能刚申请完的内存不立即使用，如果存在这种情况，从我们申请成功到真正使用内存的这一段时间里，操作系统就不好管理这部分内存，毕竟是用户的，也不可能销毁，但是用户如果一直不用，操作系统是无法对这部分内存做处理的，操作系统的效率就会降低。

操作系统基于效率考虑，设计了以下机制

用户在申请内存后，操作系统首先在该进程的进程地址空间中的对应区域上面申请空间，然后返回给用户一个虚拟地址，等到用户真正要使用这部分内存时，操作系统首先会在页表中去查询，若页表中没有该虚拟地址与物理地址的映射关系时，操作系统就会先中断用户使用该进程的操作，在物理地址上面先申请空间，在页表中添加虚拟地址与物理地址的映射关系。再启动该用户使用内存操作，操作系统继续访问页表，通过页表映射关系找到物理内存，然后操作系统为用户执行对应操作即可。这个中断操作称为缺页中断。

此机制保证了内存的使用率，提升malloc/new的速度。