Linux——进程（5）进程地址空间

先看一个程序和现象

预期现象是，子进程和父进程相互独立，子进程的gval是100，101，102....而父进程一直都是100.

结果我们并不意外，只是我们发现，父子进程的gval的地址是一样的，这有点颠覆我们的认知，同一个地址，怎么会有两个不同的值，我们只能认为，这个地址不可能是物理意义上的地址，我们叫虚拟地址。

一、进程地址空间是什么

我们确定，虚拟地址不是物理地址，但它和物理上的内存也有一定关系，假设我们现在有许多进程运行，每一个进程都会占用一部分内存空间，这是物理意义上的，但是，我们让每一个进程都认为自己独占整个物理内存大小，即各进程间不知道彼此的存在。那么进程地址空间就是操作系统告诉每一个进程自以为独占的那块“空间"(实际并不一定存在故是虚拟）

管理进程地址空间依旧是先描述再组织，进程地址空间，本质上是一个内核数据结构对象（PCB）,名为struct mm_struct。每次进程访问物理内存时，都通过这个空间进行访问的。

我们的物理内存空间分为栈堆等空间，本质是讲内存划分为若干个区域，实现方法类似于定义变量然后通过下标来划定范围。在整个内存空间内，每一个字节代表一个地址，一共有2的32次方个，地址本质其实也是数字，可以被保存在unsigned long中。对于不同区域的地址，只需要记住每个区域的头和尾就可以了，中间随便用。我们 用图片再解释一下进程地址空间到底是怎样的。

首先，我们的进程的每一行代码都是有地址的，因为需要占空间，这里是指物理地址。这里出现一个页表，是操作系统为了维护每一个进程构建的，里面存放着虚拟地址和物理地址。对于一个进程来说，假设我们有一个全局变量，那么就会在内存有一个物理地址，同时，会在虚拟地址的初始化区也有一个地址（不一定相同），这两个地址就构建了映射关系。我们进程加载时，会把其中的虚拟地址返回给用户，我们是看不到真是的物理地址的。反过来也一样，写入数据时，先占虚拟地址，然后通过虚拟地址的映射关系找到物理地址进而就可以成功写入了。这也就是Linux的虚拟内存管理方案。

当创建子进程时，会拷贝父进程的代码和虚拟空间，实际上此时指向的物理空间也是一样的，也就说如果我们不做数据的修改，父子的数据也是共享的，但当我们修改时，子进程的物理内存讲改变（重新找一个地方），但此时的虚拟地址不变，也就导致了我们一个虚拟地址指向了两个物理地址。

二、关于虚拟空间mm_struct

1.初始化

我们知道，只要是结构体变量就必须要进行初始化，但虚拟空间是如何进行区域划分的初始化呢？我们通过查看某个进程发现，在其编译时，代码已经被分程好几段了，包括代码大小，地址等信息，而我们的mm_struct就是根据可执行程序初始化而划分每个区域的大小的。

三、虚拟地址存在的意义

虚拟地址+页表的方式可以有效的保护内存，其实，这个页表不仅保存着虚拟地址和物理地址以及映射关系，每个地址还存在两个标记，一个是标记着这个地址（物理）是否有某种权限（rwx），还有一个是检测该虚拟地址是否对应着虚拟地址，如果我们进行访问且该地址没有某种权限就会报错，以及访问不存在的内存地址等，这些风险都在访问页表的地址中已经得到解决。防止非法访问等问题。 我们的野指针就是属于访问虚拟地址所对应的不存在的地址而报错。

其次，我们要让进程以统一的视角看待物理内存，代码和数据加载到物理内存的任意地方，就可以用虚拟地址把特定信息加载到内存的特定位置（映射）。至于全局变量，其实就是其地址一直持续到进程结束，所以才能全局使用。