Linux 进程地址空间

在学习进程时提到虚拟内存空间这个概念但由于涉及到的知识比较多当时并没有细讲。要搞清楚虚拟地址空间需要大量时间本文打算先浅浅地讲述一番以后会在这个话题有更多更广的讲解。看完本文进程部分的一些问题将得到解答如虚拟内存空间是什么有什么用何为虚拟地址空间在进程部分我们知道进程是由PCB数据构成的PCB 是一个结构体它的具体实现叫做task_struct。这个 task_struct 管理着一块空间这块空间就是虚拟地址空间。既然叫 “ 虚拟 ”的空间那它肯定不是指的我们那块真正的空间——内存 其实学过 C 语言就可以自己验证创建一个死循环不断开辟空间如果编译器拿到的是真是的内存那么你的电脑就会因为内存爆满而崩溃但事实是只是程序崩了电脑屁事没有。虚拟地址空间是模拟出的一块 “ 空间 ”它的容量和内存一样大每个进程都有自己的一个虚拟地址空间。这里可能有人要问了你说虚拟地址空间的大小和内存一样而且每个进程都有自己的一个虚拟地址空间但是电脑里面会有很多进程啊就算是模拟出来的空间你存放的数据总是真的吧你哪里来那么多的空间模拟呢这时候系统说话了进程啊我给你开了 4GB 的空间假设电脑有 4GB 的内存你要用空间的话你尽管用只要没超过 4GB你要用多少我都给你补。系统这家伙看着挺大方给你补还。但当内存满了它没有多余内存了怎么办这时候某些进程就遭殃了。系统会把一些不常用的进程暂时放到硬盘的 Swap 分区里如果这里也满了系统甚至会把一些进程直接杀死。虚拟地址空间和内存的关系通过上面的内容相信你已经对虚拟地址空间有了一定的了解接下来讲讲虚拟地址空间和内存的关系。前面也说我们知道电脑是把真实的内存空间中的地址隐藏起来的无法查看。那么虽然虚拟地址空间是模拟出来的但是你的数据是真实的呀你总要在内存中开辟空间存放它们我们只有虚拟的地址怎么在内存中找到它们呢想通过虚拟地址找到真实的内存空间我们要用到一个叫 “页表” 的东西这个在进程部分也讲过。页表存储着虚拟的地址同时它又存储着真实的地址一个虚拟地址对应真实地址有点类似哈希表。一个进程一套页表。对于页表有一个特殊的词 “缺页中断”。我们之前也看到电脑中是有多个进程同时占有内存的但是给每个进程一开始都分配完整的内存是不可能的既是做不到也是不值得做不到这个不用多说那不值得呢你想啊一个进程分配 4GB 的空间它用的完吗大部分情况是用不完的吧所以这会导致资源的浪费。系统的做法是进程申请虚拟内存时内核只会在页表里做标记分配好虚拟地址不会立刻分配物理地址和物理内存。当进程第一次读写这块虚拟内存时CPU 就会去查页表发现没有对应的物理地址就会立刻触发缺页中断找一块空闲物理内存填上再更新页表。写时拷贝再深入有了以上知识我们现在可以对进程部分的写时拷贝这个知识点进行更加深刻的理解了。我们之前说过父进程拷贝出的一份副本作为子进程。对于子进程的一切在没有做出改变时其实和父进程大差不差页表也是直接拷贝过来的。子进程页表直接继承父进程页表中的虚拟地址然后开辟新的内存空间供自己使用。这也是为什么在查看父子进程的数据地址时我们会发现不同的数据拥有同一个地址。那么我们也能很好地解释接收 fork 返回值的变量为什么可以有不同的值了其实就算改变量在父子进程中都有相同的虚拟地址但是真实的内存地址是不同的。写时拷贝和 “缺页中断” 都是是 “懒加载” 思想的应用即能不复制就不复制能拖就拖直到万不得已才做。